Efecto fotoeléctrico: teoría de Einstein, frecuencia umbral y trabajo de extracción

El Efecto Fotoeléctrico

ENUNCIADO: Efecto fotoeléctrico. Descripción. Explicación cuántica. Teoría de Einstein. Frecuencia umbral. Trabajo de extracción.

El efecto fotoeléctrico, descubierto por el físico alemán Heinrich Hertz en 1887, consiste en generar una corriente eléctrica al iluminar un electrodo con una radiación de una determinada frecuencia. Esta radiación arranca electrones de uno de los electrodos para lanzarlos al otro, generando así la corriente. La frecuencia tiene un valor mínimo, llamado frecuencia umbral, f_u, de manera que por debajo de este valor no tiene lugar el efecto fotoeléctrico aunque se aumente la intensidad de la radiación. El trabajo W necesario para arrancar el electrón del metal depende de su energía de enlace con este. La energía más pequeña, correspondiente a los electrones más débilmente unidos, recibe el nombre de trabajo de extracción, W₀, de modo que W₀ = h · f_u, donde h es la constante de Planck. Por otro lado, se denomina potencial de detención o potencial de frenado, V_D, a la diferencia de potencial que hay que aplicar entre los electrodos para que cese la corriente eléctrica.

Explicación Cuántica de Einstein

La explicación de este fenómeno se debe a Einstein. Para ello se basó en la teoría cuántica de Planck y estableció que toda energía emitida por una fuente radiante está cuantizada en fotones. Así, explicó que en la interacción entre un fotón y un electrón del electrodo parte de la energía del fotón se invierte en extraer el electrón de la placa y el resto en proporcionar la energía cinética necesaria para lanzar el electrón al electrodo opuesto, generando así la corriente. Einstein supuso que la energía de cada fotón se relaciona con su frecuencia f mediante la expresión E = hf. Un fotón es absorbido completamente por un fotoelectrón (electrón desprendido), y la energía cinética de este es E_c = hf − W, donde hf es la energía del fotón incidente absorbido y W es el trabajo necesario para que el electrón escape del metal. El electrón que está más débilmente enlazado escapará con energía cinética máxima, que viene determinada por la ecuación fotoeléctrica:

Así, Einstein dio respuesta a aquellos aspectos del fenómeno que la física clásica no podía explicar:

• Según la teoría clásica, el efecto fotoeléctrico debía darse para cualquier frecuencia de la luz siempre que esta fuese lo suficientemente intensa, mientras que la teoría cuántica demuestra que no habrá fenómeno a no ser que la frecuencia de la radiación sea mayor a la frecuencia umbral.
• La teoría clásica no puede explicar que la energía cinética sea independiente de la intensidad de la luz, mientras que Einstein demuestra que al aumentar la intensidad aumentan los fotones y con ello la intensidad de corriente, pero ello no cambia la energía hf de cada fotón y por tanto tampoco la energía cinética de cada fotoelectrón.
• La física clásica mantiene que si la intensidad de la luz es muy débil, debe existir un tiempo de retraso entre el instante en que la luz incide y la emisión de fotoelectrones, y, sin embargo, la realidad es que el efecto fotoeléctrico es inmediato.

Aplicaciones

Este fenómeno se utiliza en numerosos campos de la ciencia y la tecnología, siendo especialmente destacables las células fotoeléctricas y los paneles de energía solar.