Efecto fotoeléctrico: descubrimiento, interpretación de Einstein y ecuación

Efecto fotoeléctrico

En 1887, el físico alemán H.R. Hertz descubrió que al iluminar con determinada radiación (visible o ultravioleta) algunas placas metálicas, se obtenía una corriente eléctrica. Los electrones que formaban esa corriente habían sido arrancados del metal por los fotones de la radiación luminosa; por eso se les llamó fotoelectrones. El efecto fotoeléctrico es el fenómeno por el cual se produce la emisión de electrones por parte de un metal al incidir sobre la radiación electromagnética de una determinada frecuencia.

Interpretación de Einstein del efecto fotoeléctrico

El efecto fotoeléctrico consiste en la emisión de electrones por parte de un metal al incidir sobre él radiación electromagnética. Albert Einstein logró explicar el efecto fotoeléctrico en 1905, haciendo uso de la teoría cuántica de Planck. Pero Einstein supuso además que no sólo los intercambios de energía están cuantizados, sino que la propia radiación está constituida por “partículas" denominadas fotones que transportan la energía de la radiación incidente de forma discreta, concentrada en cuantos de energía o paquetes de energía que denominó fotones (cada fotón tiene energía dada por la expresión de Planck E = hf). Es decir, supuso un comportamiento corpuscular para la luz en este fenómeno (en la interacción entre radiación y materia, la luz adopta carácter de partícula). No siendo posible entender el fenómeno mediante el modelo clásico de la luz según el cual la energía de la misma se distribuye de manera continua.

Supuso que la radiación luminosa es una corriente de fotones, cada uno de los cuales tiene una energía que coincide con la energía de la radiación que, de acuerdo con la expresión de Planck, es E = hf y únicamente depende de la frecuencia. Cuando la radiación luminosa llega al metal, cada fotón interacciona con uno de sus electrones y, si tiene energía suficiente, lo arranca. Se llama trabajo de extracción (o función trabajo) Wextraccion = hf0 a la energía mínima necesaria que deben tener los fotones de la radiación para provocar el efecto fotoeléctrico (para arrancar electrones). La frecuencia de esta radiación coincide con la umbral (f0), y su valor depende del material metálico que se ilumina, pues la energía que mantiene ligados a los átomos depende de las partículas que forman el átomo; fundamentalmente del número de protones que hay en su núcleo.

Cada fotón interacciona con un electrón. Si el fotón no tiene energía suficiente, aunque la intensidad sea muy elevada (incidan sobre la placa metálica muchos fotones por unidad de tiempo), los fotones no son absorbidos por los electrones y, por tanto, no se emiten electrones. Si la energía del fotón supera el trabajo de extracción, el número de electrones emitidos o arrancados (la intensidad de la corriente producida) depende de la intensidad de la radiación luminosa, ya que el número de electrones arrancados coincidirá con el número de fotones que llegan al metal. Nota: cuando se aumenta la intensidad se aumenta el número de fotones que inciden por unidad de tiempo, pero al no variar la frecuencia de la radiación incidente, la energía es la misma.

Cuando la energía del fotón supera el trabajo de extracción, en la colisión el fotón le comunica o le transmite instantáneamente toda su energía al electrón (esta energía que cede al electrón dependerá de la frecuencia de la radiación), la cual utiliza en desprenderse de la superficie del metal (para vencer el trabajo de extracción) y el exceso de energía (la energía sobrante) se transforma en energía cinética del electrón. Esto implica que el mínimo potencial de frenado dependa de la energía de la radiación luminosa.

Como resultado de este balance energético, Einstein propuso una ecuación para el efecto fotoeléctrico que podemos aplicar para cada choque fotón-electrón considerando que satisface el principio de conservación de la energía: Efoton incidente = Wextraccion del electrón + EC electrón arrancado: hf = hfsub0 + 1/2mvsube al cuadrado expresado en función del potencial de frenado sustituimos 1/2m sub e al cuadrado por qsub e por v.