Teoría del efecto fotoeléctrico de Einstein
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1 Descripción y teoría de Einstein
El efecto fotoeléctrico consiste en la emisión de electrones por determinadas superficies metálicas cuando sobre ellas incide luz visible o ultravioleta.
2 Explicación cuántica. Frecuencia umbral y trabajo de extracción
Existen tres hechos que la física clásica no puede explicar mediante la teoría electromagnética clásica:
- La emisión tiene lugar sólo si la frecuencia f de la radiación incidente supera una frecuencia mínima (frecuencia umbral), propia de cada metal.
- Si la frecuencia f de la luz incidente es mayor que la frecuencia umbral, el número de electrones emitidos es proporcional a la intensidad de la radiación incidente.
- No se observa tiempo de retraso entre la iluminación del metal y la emisión de los fotoelectrones.
Así, para explicar el efecto fotoeléctrico Einstein supuso que:
- La cantidad de energía de cada fotón se relaciona con su frecuencia mediante la expresión:
- Un fotón es absorbido completamente por un fotoelectrón. La energía cinética del fotoelectrón es:
Donde W es el trabajo necesario para que el electrón escape del metal. El electrón que está más débilmente enlazado escapará con energía cinética máxima:
Donde Wo es la función de trabajo o trabajo de extracción, valor característica de cada metal.
De esta forma, la teoría de Einstein da respuesta a los aspectos que la teoría clásica no puede explicar:
- Como la energía mínima necesaria para arrancar un electrón es Wo, cuando, el fotón deberá aportar como mínimo una energía, donde f es la frecuencia umbral. Si la frecuencia de la radiación es inferior a fo, ningún electrón podrá ser extraído.
- Al duplicar la intensidad de la luz se duplica el número de fotones y, por tanto, la intensidad de corriente. Pero la energía de los fotones no varía y, en consecuencia, tampoco la energía cinética de cada fotoelectrón.
- 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.