El efecto fotoelectrico

A finales del siglo XIX los experimentos mostraron que la luz incidente sobre ciertas superficies metálicas ocasionaba que se emitiera electrones desde ellas. Este fenómeno se conoce como efecto fotoeléctrico. Y los electrones emitidos reciben el nombre de fotoelectrones.

HISTORIA El efecto fotoeléctrico fue descubierto y descrito por Heinrich Hertz en 1887, al observar que el arco que salta entre dos electrodos conectados a alta tensión alcanza distancias mayores cuando se ilumina con luz ultravioleta que cuando se deja en la oscuridad. La explicación teórica fue hecha por Albert Einstein, quien publicó en 1905 el revolucionario artículo “Heurística de la generación y conversión de la luz”, basando su formulación de la fotoelectricidad en una extensión del trabajo sobre los cuantos de Max Planck. Más tarde Robert Andrews Millikan pasó diez años experimentando para demostrar que la teoría de Einstein no era correcta, para finalmente concluir que sí lo era. Eso permitió que Einstein y Millikan fueran condecorados con premios Nobel en 1921 y 1923, respectivamente.

Diagrama en el cual puede ocurrir el efecto fotoeléctrico.

Un tubo de vidrio o de cuarzo donde se ha hecho vacío contiene una placa metálica E unida a la terminal negativa de una batería y otra placa metálica C unida a la terminal positiva de la batería. Cuando el tubo se mantiene en la oscuridad el amperímetro registra cero, lo que indica que no hay corriente en el circuito. Sin embargo, cuando la placa E se ilumina con luz que tiene longitud de onda más corta comparada con alguna longitud de onda particular que depende del metal usado para hacer la placa E, el amperímetro detecta una corriente, lo que es indicio de un flujo de cargas a través del espacio entre las placas E y C. Esta corriente surge de los fotoelectrones emitidos desde la placa negativa (emisor) y colectados en la placa positiva (colector).

Gráfica de la corriente fotoeléctrica versus la diferencia de potencial ∆V entre las placas E y C para dos intensidades luminosas.

Se puede observar que para grandes valores de ∆V, la corriente alcanza un valor máximo. Además, la corriente aumenta cuando aumenta la intensidad de la luz incidente. Por último, cuando ∆V es negativo, es decir, cuando la batería del circuito se invierte para hacer a la placa E positiva y la placa C negativa, la corriente cae a un valor muy bajo debido a que la mayor parte de los fotoelectrones emitidos son repelidos ahora por la placa C. en esta situación sólo aquellos fotoelectrones que tienen una energía cinética mayor que la magnitud de e ∆V llegarán a la placa C, donde e es la carga en el electrón.

Cuando ∆V es igual a 0 o más negativo que - ∆Vs, el potencial de frenado, ningún fotoelectrón llega a C y la corriente es cero. El potencial de frenado es independiente a la intensidad de la radiación. La energía cinética máxima de los fotoelectrones se relaciona con el potencial de frenado por medio de la relación: Kmáx = e ∆Vs

EXPLICACION DE EINSTEIN PARA ESTE FENOMENO Una explicación exitosa del efecto fotoeléctrico fue dada por Einstein en 1905, el mismo año en que publicó su teoría especial de la relatividad. Como parte de un articulo general sobre radiación electromagnética, por el cual recibió el premio Nobel en 1921, Einstein extendió en concepto de Planck de la cuantización a las ondas electromagnéticas. Supuso que la luz (o cualquier otra onda electromagnética) de frecuencia f puede considerarse como una corriente de fotones. Cada fotón tiene una energía E dada por la ecuación (E = hf) donde h es la constante de planck. En el modelo de Einstein, un fotón estaba localizado de tal modo que daba toda su energía hf a un solo electrón en el metal. De acuerdo con Einstein la energía cinética máxima para estos fotoelectrones liberados es: Kmáx = hf - ϕ donde ϕ se llama función del trabajo del metal. Esta función representa la energía mínima con la cual un electrón esta ligado al metal y es de orden de unos cuantos electronvolts.

FUNCIONES DE TRABAJO DE METALES SELECCIONADOS

REPRESENTACION GRAFICA DEL MODELO DE EINSTEIN Representación de fotones. Cada fotón tiene una energía discreta hf.

La observación experimental de una relación lineal entre f y Kmáx sería una confirmación final de la teoría de Einstein. La intersección en el eje horizontal da la frecuencia de corte debajo de la cual no se emiten fotoelectrones, sin importar la intensidad de la luz. La frecuencia se relaciona con la función de trabajo por medio de la relación fc = ϕ/h. La frecuencia de corte corresponde a una longitud de onda de corte de:

Relación lineal entre f y Kmáx

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