El efecto fotoeléctrico: observaciones experimentales y explicación de Einstein

El Efecto Fotoeléctrico: Emisión de Electrones por Radiación

Se denomina efecto fotoeléctrico a la emisión de electrones por parte de un metal cuando sobre él incide una radiación electromagnética correspondiente al espectro visible o ultravioleta. Heinrich Hertz descubrió que al someter a la acción de la luz determinadas superficies metálicas, estas desprendían electrones (¿efecto fotoeléctrico?).

Observaciones Experimentales Clave

Experimentalmente se observa lo siguiente:

• El efecto fotoeléctrico en un metal no se produce para cualquier radiación.
• Solo se produce si la radiación incidente tiene una frecuencia igual o superior a un cierto valor denominado FRECUENCIA UMBRAL ($ u_0$).
• La frecuencia umbral es diferente para cada metal.
• Por debajo de la frecuencia umbral, el metal no emite electrones por mucho que aumentemos la intensidad de la radiación incidente.
• Si la radiación incidente tiene una frecuencia igual o superior a la frecuencia umbral, el número de fotoelectrones emitidos aumenta al aumentar la intensidad de la radiación incidente.
• Existe un tiempo de retraso nulo entre la iluminación y la emisión de electrones.

Fracaso de la Teoría Ondulatoria Clásica

La teoría ondulatoria de la luz no puede explicar satisfactoriamente este fenómeno, presentando las siguientes inconsistencias:

• Para el modelo ondulatorio no debería existir la frecuencia umbral; es decir, cualquier frecuencia debería servir para arrancar electrones a un metal, para lo cual bastaría con aumentar la intensidad de la radiación incidente suficientemente.
• Si la frecuencia $\nu$ de la luz incidente es mayor que la frecuencia umbral $\nu_0$, el número de electrones emitidos es proporcional a la intensidad de la radiación incidente. Sin embargo, su energía cinética máxima es independiente de la intensidad de la luz, lo cual no tiene explicación en la teoría clásica.
• Según la teoría clásica, si la intensidad de la luz es muy débil, debe existir un tiempo de retraso entre el instante en que la luz incide sobre la superficie metálica y la emisión de fotoelectrones.

Teoría de Einstein para el Efecto Fotoeléctrico

Así, para explicar el efecto fotoeléctrico, Albert Einstein propuso una nueva concepción:

1. La luz está formada por unas partículas denominadas fotones.
2. La cantidad de energía de cada fotón solo depende de la frecuencia $\nu$ de la radiación electromagnética a la que pertenece mediante la expresión: $$E = h\cdot\nu$$ Siendo $h$ la denominada CONSTANTE DE PLANCK.
3. Cuando la radiación incide sobre un determinado metal, la energía de cada fotón ($E = h\cdot\nu$) es absorbida completamente por un electrón del metal.