Efecto Fotoeléctrico: Descubrimiento, Medidas y Teoría de Einstein

El Efecto Fotoeléctrico

Definición:

Hertz descubrió que al someter a la acción de la luz (visible o ultravioleta) determinadas superficies metálicas, estas superficies desprenden electrones (fotoelectrones).

Medidas del efecto fotoeléctrico

La energía más pequeña, correspondiente a los electrones más débilmente unidos, recibe el nombre de trabajo de extracción.

Hechos inexplicables por la teoría electromagnética clásica

• La emisión solo tiene lugar si la frecuencia f supera una frecuencia mínima, llamada la frecuencia umbral, f_u.

Según la teoría clásica, el efecto fotoeléctrico debería ocurrir a cualquier frecuencia de luz siempre que esta fuese lo suficientemente intensa.

• Si la frecuencia f de la luz incidente es mayor que la frecuencia umbral f_u (f > f_u), el número de electrones emitidos es proporcional a la intensidad de la radiación incidente. Sin embargo, su energía cinética no depende de la intensidad de la luz, lo cual no tiene explicación en la teoría clásica.
• Nunca se ha podido medir un tiempo de retraso entre la iluminación del metal y la emisión de los fotoelectrones. Pero la teoría clásica dice que si la intensidad de la luz es muy baja, sí debería haberlo.

Teoría de Einstein

Poniendo en duda la teoría de la luz, Einstein propuso una nueva teoría y utilizó el efecto fotoeléctrico para demostrarla. Según Planck, únicamente está cuantizada la energía al ser absorbida por los osciladores, pero Einstein decía que toda la energía emitida por una fuente radiante está cuantizada en paquetes que se denominan fotones. Entonces supuso que:

• La cantidad de energía de cada fotón se relaciona con su frecuencia f mediante la expresión:

E = hf

• Un fotón es absorbido completamente por un electrón. La energía cinética del fotoelectrón es:

Ec = hf - W

Donde:

hf: energía del fotón incidente absorbido

W: trabajo necesario para que el electrón escape del metal

• El electrón más débilmente enlazado escapará con energía cinética máxima, que viene determinada por la expresión de la ecuación fotoeléctrica:

Ec_max = hf - W₀

W₀ = trabajo de extracción, característica del metal.

Explicación de los hechos inexplicables por la teoría clásica

- Como la mínima energía necesaria para arrancar un electrón es W₀, cuando Ec_max = 0, el fotón deberá aportar como mínimo una energía hf = W₀ (donde f = f_u).

- Si la frecuencia de la radiación es inferior a f_u, ningún fotoelectrón podrá ser extraído.

- Al duplicar la intensidad de la luz, se duplica el número de fotones y, por tanto, la intensidad de corriente. Esto no varía la energía hf de los fotones individuales y tampoco la energía cinética.

• Debido a que la energía necesaria para extraer un electrón se suministra en paquetes concentrados (fotones), no tiene sentido la existencia de un tiempo de retraso.