Descubriendo la Física Cuántica: Efecto Fotoeléctrico, Dualidad Onda-Partícula e Incertidumbre

El Efecto Fotoeléctrico: Fundamentos y Aplicaciones

El efecto fotoeléctrico consiste en la emisión de electrones por un material cuando se hace incidir sobre él radiación electromagnética (en general, luz visible o ultravioleta). La radiación incidente tiene una energía que, si es suficiente, provocará que el electrón pueda “escapar” de la superficie del material. Este fenómeno se basa en la producción de energía por radiación solar, como se observa en las cámaras digitales o los detectores de llama.

El Átomo de Hidrógeno y sus Niveles Energéticos

Aunque el átomo de hidrógeno solo tenga un electrón, este puede situarse en distintos orbitales en función de su energía. Esto significa que, aunque haya un único electrón, no hay un único orbital (estado energético) donde el electrón pueda situarse en su órbita alrededor del núcleo atómico. Así pues, el espectro del hidrógeno muestra distintas líneas de energías emitidas que corresponden a las diferencias de energía entre los orbitales.

La Hipótesis de De Broglie: Dualidad Onda-Partícula

De Broglie afirmó en su hipótesis que “toda la materia presenta características tanto ondulatorias como corpusculares, comportándose de uno u otro modo”. Un experimento que confirma esta hipótesis es el experimento de la doble rendija de Young. El principio de De Broglie generaliza este resultado para cualquier partícula: toda partícula de onda viene dada por la expresión:

λ = h/p

Esta expresión se obtiene combinando la constante de Planck y la energía relativista de Einstein:

h·f = m·c² → λ = h/(m·c) = h/p

Principio de Incertidumbre de Heisenberg

El Principio de Incertidumbre de Heisenberg afirma que no se pueden determinar, simultáneamente y con precisión arbitraria, ciertos pares de variables físicas como, por ejemplo, la posición y la cantidad de movimiento de un objeto dado. Esto es, cuanta mayor certeza se tenga al determinar la posición de una partícula, menos se conoce su momento lineal y, por tanto, su velocidad. Esto implica que las partículas en su movimiento no tienen asociada una trayectoria bien definida. La expresión matemática es:

Δx · Δp ≥ h/(4π)

Trabajo de Extracción (Función Trabajo)

El Trabajo de Extracción (también conocido como Función Trabajo) es la energía mínima necesaria que debe tener la radiación electromagnética incidente para poder arrancar electrones de un metal en cuestión. La energía cinética máxima de los electrones emitidos se obtiene por balance energético: es la energía de la radiación incidente restada del trabajo de extracción. Por tanto, dependerá de la frecuencia de la radiación y de la frecuencia umbral de ese metal en cuestión.

W_e = h · f_0