Explicación del Efecto Fotoeléctrico, Fotones e Imágenes Ópticas

Física Moderna y Óptica Geométrica

Teoría de Einstein sobre el Efecto Fotoeléctrico y el Fotón

Einstein aplicó las hipótesis de Planck sobre la cuantización de la energía para explicar el efecto fotoeléctrico, es decir, la emisión de electrones por parte de un metal al incidir sobre él radiación electromagnética de una determinada frecuencia (frecuencia umbral) o superior. Pero llegó aún más allá en su ruptura con las teorías clásicas. Supuso que no solo los intercambios de energía están cuantizados, sino que la propia radiación está constituida por "partículas", llamadas fotones, que transportan la energía de forma discreta, concentrada en cuantos de energía. Es decir, supuso un comportamiento corpuscular para la luz, al menos en este fenómeno. El fotón sería, pues, la partícula asociada a la onda electromagnética. Su masa en reposo es nula y su velocidad en el vacío es c = 3 · 10⁸ m/s.

Contraste con la Teoría Clásica Ondulatoria

La teoría clásica (u ondulatoria) de la luz supone que la luz (las ondas electromagnéticas, o.e.m., en general) consiste en la transmisión de una vibración de campos eléctricos y magnéticos a través de un medio, que puede ser el vacío. La energía transmitida por esta onda electromagnética se realiza, pues, de forma continua (las partículas, por el contrario, transmiten energía de forma discreta, transportada por la propia partícula). Suponiendo una transmisión continua de energía, al incidir la radiación sobre el metal, los electrones superficiales del mismo irían absorbiendo continuamente energía, independientemente de la frecuencia de la radiación. Así, más tarde o más temprano, el electrón adquiriría energía suficiente para vencer la atracción del núcleo, produciéndose siempre la emisión de electrones.

Sin embargo, lo observado en las experiencias es que existe una frecuencia umbral, una frecuencia mínima por debajo de la cual la radiación no puede provocar la emisión de electrones, por mucho tiempo que esté incidiendo sobre el metal. Este hecho solo puede explicarse suponiendo que en la interacción radiación-materia, la luz se comporta como partículas.

Diferencias entre Imagen Real e Imagen Virtual y Espejos Convexos

Una imagen real se forma si los rayos que provienen de un punto del objeto, al salir del sistema óptico (lentes, espejos, etc.), convergen en un punto. Si colocamos una pantalla en ese punto, veremos la imagen; si colocamos una película fotográfica, obtendremos una fotografía enfocada.

Ejemplos de Imagen Real:

• Proyector de vídeo o diapositivas
• Cámara de fotos
• Ojo humano

Por el contrario, una imagen virtual se produce cuando los rayos que salen del sistema óptico no convergen, sino que divergen desde un punto. "Parece" que vienen de ese punto (obtenido prolongando los rayos hacia atrás), que es donde se sitúa la imagen virtual.

Ejemplos de Imagen Virtual:

• Una lupa con el objeto situado entre el foco y la lente
• Un espejo convexo
• Una lente divergente

Para observar una imagen virtual (hacer converger esos rayos divergentes), es necesario otro sistema óptico (como el ojo o una cámara).

Formación de Imágenes en Espejos Convexos

En un espejo convexo, los rayos reflejados siempre divergen, con lo que la imagen formada siempre será virtual. Es imposible producir una imagen real con un espejo convexo (basta con mirarse en el espejo retrovisor convexo de un coche para comprobarlo).