Efecto Fotoeléctrico: Descubrimiento y Explicación Cuántica

Física Cuántica: El Efecto Fotoeléctrico

Descubrimiento del Efecto Fotoeléctrico

El efecto fotoeléctrico fue descubierto por Heinrich Hertz. Este fenómeno consiste en la emisión de electrones por parte de una lámina metálica cuando esta es irradiada por luz.

Explicación Inicial Basada en la Teoría de Maxwell

En un principio, el proceso de emisión de electrones causado por la luz parecía ser fácilmente explicable mediante la teoría electromagnética de Maxwell, la cual considera la luz como una onda electromagnética. Según esta teoría, la onda electromagnética suministraría energía de forma continua al electrón hasta que este tuviera la suficiente como para escapar del átomo.

Contradicciones con los Datos Experimentales

Sin embargo, surgieron problemas al considerar los datos experimentales asociados con el efecto fotoeléctrico. Entre las características observadas, se encontró que:

• La emisión o no emisión de electrones no depende de la intensidad luminosa, pero sí depende de la frecuencia de la luz.
• La luz de una determinada frecuencia que es capaz de arrancar electrones de un metal, puede no ser capaz de arrancar electrones de otro metal diferente.
• El número de electrones emitidos depende de la intensidad de la luz incidente.
• La energía cinética que adquieren los electrones emitidos no depende de la intensidad luminosa, pero sí depende de la frecuencia de la radiación incidente.
• El tiempo transcurrido entre la llegada de la luz y la emisión del electrón es muy pequeño, del orden del nanosegundo.

Estos hechos contradecían la teoría de Maxwell.

Solución de Einstein Basada en la Hipótesis Cuántica de Planck

La solución al problema fue planteada por Albert Einstein, utilizando la hipótesis cuántica que Max Planck había propuesto previamente. Planck había desarrollado esta hipótesis para obtener una ecuación matemática que se ajustara a la curva experimental de la radiación del cuerpo negro. Einstein no consideró esta hipótesis como un simple artificio matemático, sino que asumió que la energía está realmente cuantizada. Según esta idea, la energía se emite en pequeños corpúsculos llamados cuantos, cuyo valor depende de la frecuencia de vibración. Estos cuantos se transmiten formando esos pequeños paquetes y, cuando interactúan de nuevo con la materia, se comportan como si fueran pequeños paquetes de energía, denominados fotones.

Potencial de Extracción y Ecuación del Efecto Fotoeléctrico

La energía necesaria para arrancar un electrón se denomina potencial de extracción y depende del metal considerado. Dado que el choque se realiza entre un fotón y un electrón, solo habrá emisión de electrones cuando la energía del fotón incidente supere la energía necesaria para arrancar al electrón del metal. Esto se expresa mediante la ecuación:

Hf = Hf₀ + E_c

Donde:

• Hf es la energía del fotón incidente.
• Hf₀ es la energía mínima necesaria para arrancar un electrón (función de trabajo o potencial de extracción).
• E_c es la energía cinética del electrón emitido.

Relación entre Intensidad Luminosa y Número de Electrones Emitidos

Si la luz en cuestión arranca electrones del metal iluminado, el número de electrones emitidos sí depende de la intensidad, ya que cada fotón arranca un solo electrón. Por lo tanto, una mayor intensidad luminosa, que implica un mayor número de fotones, resultará en una relación directa entre la intensidad luminosa y el número de electrones emitidos.

Energía Cinética del Electrón Emitido

La energía total del fotón incidente se emplea en arrancar al electrón, y el resto se transforma en la energía cinética del electrón emitido. El hecho de que aumente la intensidad no influye en la emisión o no emisión de electrones, ya que una mayor intensidad significa un mayor número de fotones, pero no implica que un fotón individual tenga mayor energía. Si la energía de un fotón no supera la energía necesaria para arrancar al electrón, no se podrá arrancar al electrón, aunque incidan sobre él varios fotones sucesivamente.