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¿Qué es el efecto fotoeléctrico?

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Básicamente, el efecto fotoeléctrico se da cuando la luz choca con una placa metálica y partir de cierta energía necesaria se produce un salto de electrones. Así, por ejemplo, cuando una luz de rango ultravioleta se refleja sobre una lámina de cobre se produce electricidad.

El efecto fotoeléctrico fue todo un misterio. Tuvo que llegar Albert Einstein, quién a través de las ideas de los cuantos de energía de Max Planck, demostró que la luz se comportaba como ondas y partículas. Albert Einstein ganó el premio Nobel de Física en 1921 por sus trabajos en este campo.

Trabajos científicos relevantes

Para comenzar, nos remontamos al año 1887, cuando el físico alemán Henry Hertz estaba estudiando las ondas electromagnéticas. Hertz fue descubridor del efecto fotoeléctrico, observó que entre dos placas podrían saltar electrones cuando se iluminaban con luz.

Por otro lado, en el año 1892 Philipp Lenard, trabajó con la frecuencia umbral y el potencial de frenado. La frecuencia umbral (f) es el valor mínimo necesario de luz incidente para sacar un electrón de un material (metal). Lenard descubrió que la luz de alta frecuencia permitía que los electrones pudieran saltar con mayor facilidad de las placas.

De igual manera, determinó que para que un metal emitiera partículas cargadas, el tubo donde se encuentran los electrodos debe estar evacuado (es decir al vacío). Y la frecuencia de la luz que incida sobre el metal debe ser mayor a 10¹ Hz. Así, la luz causa la emisión de electrones en el cátodo, y debido a la carga negativa (-e), los fotoelectrones emitidos son impulsados por el campo eléctrico hacia el ánodo.

Cuando la frecuencia de dicha luz era mayor que la frecuencia umbral del material se emitían fotoelectrones. De igual manera trabajó con el potencial de frenado V0, el cual es el voltaje necesario para detener una corriente de electrones expulsados y así, poder evitar que lleguen al ánodo.

El tubo donde se encuentran las placas metálicas debe estar al vació.
Imagen 1. El tubo donde se encuentran las placas metálicas debe estar al vació. Créditos: Jfmelero

Luego, debemos trasladarnos al año 1901 cuando Max Planck propuso en su teoría cuántica, que la radiación electromagnética se podía transmitir o absorber a través de paquetes discretos de energía llamados: cuantos y cuya energía aumenta con la frecuencia de la luz, es decir es proporcional.

Quizás el científico que más tuvo que ver con el efecto fotoeléctrico fue Albert Einstein, quien utilizó las ideas de Max Planck para decir que la luz se componía de pequeños paquetes de energía llamados fotones, con eso pudo resolver el problema del efecto fotoeléctrico.

La física clásica no podía explicar el fotoeléctrico

Para la época de la física clásica llamaba la atención la forma en que sucedía el efecto, había cosas que no se podían explicar, por ejemplo, la energía cinética del electrón que saltaba del metal. Se observaba que la energía era independiente de la intensidad de la luz, pero que dependía de la frecuencia, aumentando linealmente con ella. La frecuencia de la luz y la energía de movimiento del electrón eran proporcionales.

Otro problema que hallaron los físicos de esa época es que no podían explicar ¿cómo era posible que cuando la luz tenía poca intensidad, pero con frecuencia arriba del umbral (f) se apreciaba que la emisión de electrones era instantánea? ¿No debería existir un tiempo de espera para que los electrones pudiesen absorber energía para poder escapar del metal?

Por otra parte, estaba el tema de la frecuencia umbral. No se podía explicar ¿Cómo era posible que, si la luz incidente tenía una gran intensidad, pero su frecuencia estaba por debajo de la frecuencia o energía umbral requerida por el electrón, los metales dejaban de producir electrones? Ya que, la teoría clásica de la luz nos dice que si aumentamos la intensidad de la luz que utilicemos, así mismo debía aumentar la corriente eléctrica que producimos en el circuito, la duda era enorme en esos tiempos.

A parte de lo anterior mencionado, había otro dilema en ese tiempo, porque todavía se adoptaba la idea de que la luz era solamente una onda electromagnética.

La explicación de Albert Einstein y las fórmulas matemáticas

Sin embargo, esta confusión llegó a su fin cuando Albert Einstein llegó con su Heurística de la generación y conversión de la luz, (el efecto fotoeléctrico). Un trabajo donde expuso la explicación del fenómeno a partir de las ideas de Planck sobre la catástrofe ultravioleta.

Él tomó dos ideas claves para poder explicar el efecto: la primera, que ese efecto no depende de la intensidad de la luz, sino que depende de la frecuencia; y la segunda idea fue adoptada de los trabajos realizados por Max Planck en su teoría de radiación de cuerpos negros, la cual la luz es vista como paquetes discretos donde la energía de cada fotón depende de la frecuencia de la luz (color) y de la constante de Planck, dando como resultado la siguiente ecuación:


Relación Planck-Einstein para el fotón E=hf

Donde:
E= energía del fotón en joules (J)
h= es la constante de Planck 6,626×10-34 J.s
f= es la frecuencia de la luz en Hz


Sugirió que los fotones chocan con los electrones que se mueven en el metal para crear el efecto fotoeléctrico, así como cada fotón tiene una energía que es proporcional a su frecuencia, la energía del electrón con el que interactúa también es proporcional a la luz. Así, un fotón de luz roja (baja frecuencia), no tiene suficiente energía para desplazar a un electrón cuando choca, un fotón de luz azul tendrá suficiente energía para comenzar a mover el electrón y un fotón de luz ultravioleta desplazará completamente y con mayor velocidad a un electrón.

Con esto podemos preguntarnos, ¿Si colocamos una luz común y corriente sobre un metal pasará algo? Pues, si la luz tiene una frecuencia por debajo de la frecuencia umbral o frecuencia mínima necesaria para expulsar electrones, no hará que estos salten del metal, aunque aumentes la intensidad de la luz al máximo no veremos absolutamente nada.

Por ejemplo, si aumentamos el brillo (intensidad) de la luz roja no se producirán cambios, ya que independientemente de la cantidad de fotones rojos, ninguno tendrá la energía suficiente para desplazar los electrones del metal.

Sin embargo, si modificamos la frecuencia llevándola al rango ultravioleta se apreciará que los electrones comenzarán a saltar, es decir generarán una corriente. Así, la carga solo circula cuando la frecuencia de la luz excede un umbral determinado, que varía según el tipo de metal.

Además, mencionó que para poder extraer los electrones de la placa metálica se debe realizar trabajo (W), a veces es llamado como «función de trabajo» (\Phi) o «trabajo de salida». Este valor cambia de acuerdo al metal. También se pueden acelerar o frenar con un campo eléctrico y desviar los electrones con un campo magnético.

Efecto-fotoelectrico
Imagen 2. Diagrama ilustrando la emisión de los electrones de una placa metálica, requiriendo de la energía que es absorbida de un fotón. Se puede ver que cuando un fotón incide en la placa con energía E=hf, se crea un trabajo de extracción del electrón. El mismo sale de la placa con una velocidad que va directamente proporcional a la frecuencia de la luz incidente. Créditos de imagen: Ponor

Ecuación fotoeléctrica

El fotón que incide sobre la placa metálica para crear corriente, tendrá una energía por arriba de la frecuencia umbral y transferirá toda su energía al electrón para expulsar fotoelectrones. Por consiguiente, este tendrá una energía cinética máxima (Ecmax) determinada por la siguiente ecuación:


Ecmax = eV0 = hf – (\Phi)
(ecuación del efecto fotoeléctrico)

Donde:
Ecmax= energía del fotoelectrón expulsado en electrón volt (eV).
eV0= carga del electrón multiplicado por su potencial de frenado.
hf= es la energía del fotón que incide en la placa (la constante de Planck: 6,626×10-34 J.s por la frecuencia del fotón en Hz).
\Phi= función de trabajo del material.

La ecuación anterior se deriva del principio de conservación de energía, la cual Einstein utilizó. Así, la energía para determinar que la energía cinética máxima para un electrón emitido es la energía adquirida por un fotón menos la función trabajo, su formulación matemática es:

Ecmax = 1/2 (vmax)2 = hf – \Phi


Podemos sustituir: Ecmax por eV0 para obtener:


eV0 = hf – \Phi
(ecuación equivalente del efecto fotoeléctrico)


Así pudo establecer que, el rango de luz con más alta frecuencia está formado por paquetes con más energía; y que estos son tomados por los electrones para saltar de la placa. Así que, aumentar la intensidad de la luz, hará que aumenten la cantidad de fotones, pero los electrones no saltarán, solo lo harán si se llegan a una frecuencia mínima necesaria para que se produzca el efecto. Los electrones que saltan a una determinada frecuencia, lo hacen porque la energía del fotón proveniente de la luz es mayor que la energía de trabajo (W) o función de trabajo (\Phi) que el electrón necesita para saltar.

Salto-de-electrones-Efecto-fotoelectrico
Imagen 3. Se aprecia que los electrones saltarán dependiendo de la frecuencia de la luz y de la energía de trabajo de cada metal. Por ejemplo, en el Potasio, la radiación que tenga una frecuencia de 700nm (luz roja) no harán que los electrones salgan del metal; mientras que frecuencias entre 400 y 500 nm si producirán el efecto.

Conclusión

  • El efecto fotoeléctrico genera corrientes eléctricas en los metales cuando se proyecta sobre ellos luz azul o ultravioleta, pero esto no ocurre con luz roja.
  • Para que los electrones salten del metal debemos aportar una energía mínima. Es decir, la luz que incide en el metal debe tener una frecuencia por arriba umbral del metal para que entonces pueda producirse el efecto.
  • La intensidad por sí sola no hará que salten los electrones, la clave está en la frecuencia de la luz.
  • La frecuencia de la luz está relacionada con la velocidad y energía de los electrones que saltan del metal. Mientras que la intensidad con el número de electrones.

¡Para afinar nuestros conocimientos teóricos, dejamos los siguientes simuladores del efecto fotoeléctrico, para que puedas interactuar y aprender más! Debes hacer clic en las imágenes para que te redirija a la página del simulador.

Simulador del efecto fotoeléctrico
Imagen 4. Simulador del efecto fotoeléctrico de educaplus.

Simulador-del-efecto-fotoelectrico
Imagen 5. Simulador del efecto fotoeléctrico de Varpa Research Group.

Bibliografía

Flores, E., Moreno, J., y Rosales, N. (2010). Ciencias físicas o filosofía de la naturaleza. Panamá: Imprenta Articsa.

Serway, A., Jewett, J. (2008). Física para ciencias e ingenierías, tomo II. México: Cengage Learning Editores.


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