Efecto Fotoeléctrico. Características y clasificación

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- La energía de los fotoelectrones aumenta con la frecuencia de la luz incidente, resultando incompatible con la electrodinámica de Maxwell, donde la densidad de energía de una onda luminosa no tiene relación alguna con su frecuencia. Lenard percibió la existencia de esta dependencia pero no especificó la manera en la que frecuencia y energía estaban vinculadas. Hasta que Millikan probó experimentalmente la relación lineal una década después y se lograron plantear diferentes relaciones entre ellas lineales (como la de Einstein), las cuadráticas, logarítmicas, entre otras.

- La ausencia de tiempo de retardo en la emisión de fotoelectrones, con independencia del valor de la intensidad de la luz incidente, según la teoría electromagnética debía existir un tiempo de retardo inversamente proporcional a la intensidad de la onda incidente. Este retraso entre el instante de incidencia de la luz y el de emisión de fotoelectrones, se debía a que para intensidades de iluminación muy bajas, los fotoelectrones requerían un cierto tiempo para adquirir la energía necesaria para abandonar el metal.

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La Teoría Cuántica de Einstein

Después de estos descubrimientos nulos por no poder ser comprobados, Einstein publicó un artículo “Sobre un punto de vista heurístico concerniente a la producción y transformación de la luz” (1905), mismo en donde planteó su famosa teoría cuántica de la luz a lado de una interpretación para el conjunto de estos nuevos fenómenos que incluían la interacción radiación – materia que hasta ese entonces nadie había podido explicar de manera lógica.

Fue aquí cuando Einstein dedujo que en esta situación, la energía de la luz no estaba distribuida de manera continua como acostumbraban observar en las ondas luminosas, sino que se hallaba en “cuantos” indivisibles de energía:

[pic 1]

Donde v es la frecuencia y h la constante que tiempo atrás, Planck propuso. En otras palabras, generalizó la cuantificación de energía de Planck.

Einstein (1905):

“De hecho, ahora me parece que las observaciones de la radiación de cuerpo negro, fotoluminiscencia, producción de rayos catódicos por luz ultravioleta y otros grupos de fenómenos concernientes a la emisión y transformación de la luz aparecen más comprensibles bajo el supuesto de que la energía de la luz está distribuida discontinuamente en el espacio. De acuerdo con el supuesto que contemplamos aquí, en la propagación de un rayo de luz que sale de un punto la energía no está distribuida continuamente en un espacio que se vuelve más y más grande, sino que ésta consiste en un número finito de cuantos de energía localizados en puntos del espacio, los cuales se mueven sin dividirse, y sólo pueden ser absorbidos o generados como un todo.”

Postuló que en la interacción luz – materia, la energía se intercambiaba de forma localizada, mediante la absorción o emisión de un cuanto luminoso; considerando que los cuantos en el vacío no experimentan interacción mutua, pues existe una enorme separación entre ellos.

Al introducir el concepto de cuanto a esta teoría, pudo formular una ecuación simple que le daba una clara explicación a todos los fenómenos relacionados a la emisión y absorción de la luz por parte de la materia.

Así pues, consideraba que el efecto fotoeléctrico se producía cuando sobre una superficie metálica (que actúa como electrodo), incide un número finito de cuantos de luz de energía (hv) que interaccionan con los electrones del cátodo. “Cada cuanto es absorbido por un único átomo, al que le proporciona toda su energía”; entonces, los electrones en estado excitado pierden parte de su energía en el trabajo de extracción (W0) que realizan para escapar de las fuerzas que los tienen ligados a la superficie del metal, es por esto que su energía cinética se puede expresar de la siguiente forma:

[pic 2]

De esta ecuación, se comprueba que un fotoelectrón sólo puede emitirse si el cuanto de luz incidente tiene una energía superior al trabajo de extracción. Por lo que el umbral de frecuencia del cuanto luminoso será de:

[pic 3]

Su teoría cuántica de la radiación le daba explicación al efecto fotoeléctrico y a los procesos de emisión y absorción; sin embargo, la mayoría de la comunidad de los físicos de ese entonces, apoyaban más la teoría de la concepción ondulatoria de Maxwell y Einstein se encontraba consciente de que su trabajo no era capaz de justificar fenómenos tales como la difracción o la polarización y definió su teoría como incompleta.

El efecto fotoeléctrico: ¿Qué es y cómo funciona?

Hasta el año de 1905, era un gran misterio dentro del mundo de la física, y científicos como Planck comenzaron a hacer postulados sobre la teoría cuántica y cómo es que esta funcionaba y para que elementos aplicaba, pues bien sabemos que es para estudiar las partículas más pequeñas de la materia, mismas que no son visibles a simple vista.

Einstein ocupó de los estudios y experimentos de Planck para definir al efecto fotoeléctrico como un fenómeno en el que los electrones son expulsados desde la superficie de ciertos metales que se han expuesto a la luz de al menos una determinada frecuencia mínima, que es conocida también como frecuencia umbral.

El número de electrones que este liberaba o emitía, mas no su energía, era proporcional a la intensidad o brillantez de la luz, es decir, no importaba que tan intensa fuera la luz, los electrones no se liberaban si la frecuencia no llegaba hasta el umbral mínimo.

Entonces, Einstein partió de una hipótesis que decía: “que un rayo de luz es un torrente de partículas, y cada una de estas partículas de luz (fotones) debían poseer cierta energía.

Decía pues, que los electrones se mantienen unidos al metal por las mismas fuerzas de atracción que existían y para emitirlos, se necesita de una luz con una frecuencia lo suficientemente alta (energía suficiente). Y si la frecuencia de los fotones es de una magnitud tal que hv sea exactamente igual a la energía de enlace de los electrones en el metal, entonces la luz tendrá la energía suficiente para emitirlos.

Al tener una luz de mayor frecuencia, los electrones no sólo serían emitidos, sino que también adquirirían cierta energía