Efecto Fotoeléctrico

Fue Heinrich Hertz, en 1887, el primero en observar el efecto fotoeléctrico. Esto ocurrió, casualmente, mientras realizaba sus investigaciones para demostrar la naturaleza ondulatorio de la luz. Estudiaba la chispa eléctrica producida por una descarga entre dos laminas y observó que la descarga desde la primera placa producía una chispa eléctrica en la segunda. Pronto se convenció que era la luz de la primera chispa la que generaba en la segunda una fotoemisión.
Thomson demostró, en 1899, que el fotoefecto producido por la luz ultravioleta consistía de electrones. Para ello midió la relación e/m resultando idéntica a los rayos catódicos. En 1902, Philipp Lenard descubrió que los electrones emitidos por una superficie metálica depende de la frecuencia de la luz incidente.

CARACTERÍSTICAS DEL EFECTO FOTOELÉCTRICO

1.- El efecto fotoelétrico consiste en la emisión de electrones por un metal bajo la acción de la luz.

2.- El número de electrones emitidos es proporcional a la intensidad de la luz.

3.- La energía de los electrones emitidos es proporcional a la frecuencia de la luz incidente.

4.- La energía de los electrones emitidos no depende de la intensidad de la luz incidente.

5.- Para que una superficie metálica emita electrones es necesario que la frecuencia de la luz incidente sobrepase cierto valor mínimo.

6.- El efecto fotoeléctrico sucede de manera instantánea o nunca se produce independientemente de la fuente de luz incidente.

Estos hechos experimentales no podían ser explicados partiendo de la teoría electromagnética de James Clerk Maxwell, según la cual no es posible que las ondas luminosas, al extenderse sobre un gran número de átomos concentrase su energía en uno solo para expulsar un electrón del metal. Tampoco puede explicarse, siguiendo las teorías clásicas, porque la emisión fotoeléctrica es instantánea aun en el caso de utilizar intensidades luminosas tan débiles que, de acuerdo con ellas, sería imposible para un electrón absorber energía suficiente para poder ser emitido. Otra dificultad es el explicar porque la emisión se produce únicamente para frecuencias superiores a un cierto valor, que además es diferente para cada metal.

Fueron los trabajos de Albert Einstein publicados en 1905 los que revolucionaron de raíz los cimientos teóricos de la Física Clásica. En aquella época los científicos sabían que la luz estaba formadas por ondas electromagnéticas, sin embargo, Einstein lo puso en duda y revelo la naturaleza dual de la luz como Onda y como Partícula . inesperadamente Isaac Newton y Cristian Huygens fueron conciliados por una profunda filosofía natural, que revelo que ambos tenían razón en parte.

La explicación que ofreciera Einstein en 1905 del efecto fotoeléctrico es muy simple, consiste en suponer que la luz absorbida por los átomos no se comporta como una Onda, sino como una partícula (los llamados fotones o cuantos de luz). Con esta simple hipótesis pudo explicar en forma convincente y sencilla todas las extrañas propiedades del efecto fotoeléctrico, que resultaban paradójicas si se seguían los principios de la teoría ondulatoria de la luz.

Pero Einstein no elaboró la teoría fotónica de la luz para explicar el efecto fotoeléctrico, por el contrario, esta explicación era una de las consecuencias específicas que derivó de su teoría, como ejemplos que la corroboran, la teoría tiene como origen una observación mucho mas profunda. Einstein observó que la entropía de la radiación, es decir, que la luz a bajas densidades, tiene propiedades similares a la de un gas ideal. A partir de esta observación intuyó que la radiación a bajas densidades debería comportarse en muchos casos como un gas, es decir, como si fueran partículas independientes.

EXPLICACIÓN DE EISNTEIN DEL
EFECTO FOTOELÉCTRICO

1. Cada fotón es una partícula que tiene un quantum de energía determinada por la frecuencia de la luz E = hv. Cuando el fotón choca con el metal transfiere su energía al electrón.

2. En ese momento los electrones son emitidos por el metal con una energía cinética Ec = ½ mv2

3. El metal emite electrones, pero solo si el fotón tiene o transfiere la energía suficiente E = hv como para sobrepasar la energía de enlace entre el electrón y el metal (a esta energía se le llama función trabajo Wo hv´ ). Si la frecuencia es menor que la función trabajo los electrones no serán emitidos y el fotón solo se reflejara.

Función trabajo (eV)
Cs = 1.90
Zn = 4.30
K = 2.25
W = 4.54
Na = 2.26
Ni = 5,51
Li = 2.42
Pt = 6.03

De estos valores podemos deducir que los metales alcalinos son los mas efectivos para presentar el efecto fotoeléctrico. La energía de los fotones así es invertida en dos procesos:
· Uno para arrancar electrones del metal determinado por la función trabajo Wo
· Y el otro para proporcionar energía cinética al electrón expulsado (Ec).

Energía del foton = Función trabajo + Energía Cinética
hv = hv´ + ½ mv2

h = Constante de Plank = 6.62X10-27 ergios.seg
m = Masa del electrón = 9.10X10-28 gramos
v = Velocidad de emisión de los electrones
v (nu) = Frecuencia de la luz incidente
n´ = Frecuencia mínima para emitir e-
La gráfica muestra la energía cinética de los electrones como una función de la frecuencia de la luz incidente. La intersección representa la frecuencia de la función trabajo, a la cual empezarán a emitirse los electrones.
La pendiente de la curva es igual a la relación entre la constante de Plank y la carga del electrón, cuando en 1912 Millikan determinó la carga del electrón dedico varios años de investigación experimental para determinar el valor de la constante de Plank, resultando:

h = 6.62e-27 ergíos.seg

Einstein explica el efecto fotoeléctrico suponiendo la existencia de una nueva partícula el FOTON. Nunca antes otra partícula ofreció tanta resistencia para su descubrimiento: Fueron los trabajos de Arthur Holly Compton sobre la interacción de los rayos X y la materia los que confirmaron la existencia del FOTON.