Fundamentos de la Radiactividad y el Efecto Fotoeléctrico en la Física Moderna

Radiactividad y sus Propiedades

La radiactividad es la propiedad que presentan determinadas sustancias, denominadas sustancias radiactivas, de emitir radiaciones capaces de penetrar en cuerpos opacos, ionizar el aire e impresionar placas fotográficas.

Radiaciones Alfa, Beta y Gamma

• Radiaciones Alfa: Son núcleos de helio formados por 2 protones y 2 neutrones.
• Radiaciones Beta: Son electrones procedentes de neutrones que se desintegran en el núcleo, dando lugar a un protón y un electrón.
• Radiaciones Gamma: Son radiaciones electromagnéticas de mayor frecuencia que los rayos X.

Desintegración Radiactiva

Cuando un núcleo atómico emite radiación (alfa, beta o gamma), el núcleo cambia de estado dando lugar a una desintegración radiactiva, la cual es un proceso aleatorio gobernado por leyes estadísticas.

El Efecto Fotoeléctrico

Al someter a la acción de la luz determinadas superficies metálicas, estas desprenden electrones llamados fotoelectrones.

Medidas Experimentales

• Ánodo positivo (+): Atrae a los electrones.
• Ánodo negativo (-): Los electrones serán repelidos.

Aspectos que no se pueden explicar mediante la física clásica

• La emisión tiene lugar solo si la frecuencia de la radiación supera una frecuencia mínima, denominada frecuencia de umbral (f_u).
• Si la frecuencia de la luz incidente es mayor que la f_u, el número de electrones emitidos es proporcional a la intensidad de la radiación incidente.
• Si la intensidad de luz es muy débil, según la física clásica debería existir un tiempo de retraso; sin embargo, experimentalmente no hay demora entre el instante en que la luz incide sobre la superficie metálica y la emisión de fotoelectrones.

Teoría Cuántica de Einstein

Einstein propuso que toda la energía emitida por una fuente radiante está cuantizada en paquetes que se denominan fotones. Los puntos clave de su teoría son:

• La cantidad de energía de cada fotón se relaciona con su frecuencia mediante la expresión E = h · f.
• Un fotón es absorbido completamente por un fotoelectrón, siguiendo la ecuación: E_c = h · f - W₀.
• Como la mínima energía necesaria para arrancar un electrón es el trabajo de extracción (W₀), cuando la energía cinética es cero (E_c = 0), el fotón deberá aportar como mínimo una energía h · f_u = W₀.
• Al duplicar la intensidad de la luz, se duplica el número de fotones y, por consiguiente, la intensidad de corriente.
• Debido a que la energía necesaria para extraer un electrón se suministra en paquetes concentrados, no tiene sentido la existencia de un tiempo de retraso.