EL EFECTO FOTOELÉCTRICO

Albert Einstein, el científico más importante del siglo XX, recibió el Premio Nóbel de física en el año 1921. Lo que se esperaba, era que se le premiara por su famoso artículo de 1905 sobre la relatividad especial, pero no fue así. Se le otorgó el Premio Nóbel por su trabajo sobre “El efecto fotoeléctrico”. Por eso, el siguiente artículo tratará sobre este tema.

El efecto fotoeléctrico es la emisión de electrones por un material cuando es iluminado por una fuente de luz (La misma que genera las ondas de luz).

El efecto fotoeléctrico fue descubierto y descrito por el famoso físico Alemán Heinrich Hertz en 1887. Tuvo que pasar 18 años para que Albert Einstein en el año de 1905, el año que cambió su vida para siempre, explicara satisfactoriamente el efecto fotoeléctrico en su artículo “Heurística de la generación y conversión de la luz”. Albert Einstein basó su explicación en los estudios de otro físico Alemán, Max Planck.

Max Planck, había descubierto en 1900 que la energía no se radiaba de forma continua a través del espectro electromagnético, sino que solamente se podía emitir en paquetes discretos de energía, que él llamó “Cuantos”. Pues bien, a estos “Cuantos”, Albert Einstein les llamó “Fotones”, que no eran sino partículas de luz.

Cuando una fuente de luz ilumina un metal, miles de millones de fotones (partículas de luz) son absorbidos por los electrones de los átomos del metal. Esta energía ganada les sirve para romper el enlace atómico y salir disparado por su energía cinética. Cabe señalar que no siempre ocurre esto, porque se necesita una energía suficiente para que los electrones puedan salir del metal. A esta energía límite se le llama Función Trabajo.

Einstein usó la ecuación E = hxv….(1) para explicar el efecto fotoeléctrico, donde:

E = Energía del fotón.
h = Constante de Planck (6.625x10-34 J.s)
ט = Frecuencia de las ondas de luz



Einstein formuló la siguiente ecuación:

E = E0 + Ek ….(2)
hf = hf0 + 0.5mv2 ….(3)

donde:

E = Energía del fotón.
E0 = Función trabajo o energía necesaria para producir el desprendimiento de electrones o efecto fotoeléctrico.
Ek = Energía cinética de los electrones
h = Constante de Planck.
f = Frecuencia de la fuente de luz
f0 = Frecuencia umbral o frecuencia necesaria para producir el desprendimiento de electrones o efecto fotoeléctrico.
m = Masa del electrón (9.1x10-31 kg)
v = Velocidad con la que salen los electrones.

Einstein predijo estas 2 cosas en base a la fórmula 2 0 3.

- Cuando la fuente luminosa se hace más brillante (aumenta la intensidad de la luz), significa que más fotones inciden en el metal, pero la energía de cada fotón no cambia. Porque como vemos en la fórmula 1, la energía del fotón es sólo función de la frecuencia, y en este caso la frecuencia no cambia. Como la luz emite más fotones, más electrones absorven la energía de estos fotones, y en consecuencia, más electrones se desprenden del metal.

- Cuando la fuente luminosa cambia de color, significa que la frecuencia de la luz aumenta o disminuye, y de acuerdo a la fórmula 1, la energía del fotón también aumenta o disminuye. En el caso de que la energía de los fotones sea suficiente para producir el efecto fotoeléctrico (Debe ser una energía mayor a la función trabajo), el cambio de la frecuencia de la luz hará que los electrones que salen del material lo hagan con una energía mayor o menor. Es importante indicar que la cantidad de los electrones liberados es la misma, porque la intensidad de la luz no cambia.

De esta manera Einstein explicó satisfactoriamente el efecto fotoeléctrico. Él consideró a la luz no como onda, sino como un conjunto de partículas, que él llamó fotones. Al inicio los científicos se opusieron a la tesis de Einstein, porque consideraban a la luz sólo como una onda y de esta manera no podría ser explicado el efecto fotoeléctrico. Famoso es el caso del físico Estadounidense Robert Andrews Millikan que pasó diez años realizando experimentos para demostrar que la teoría de Einstein no se ajustaba a la realidad; sin embargo, concluyó que si era correcta. Estos estudios sobre el efecto fotoeléctrico, junto a su trabajo para determinar el valor de la carga del electrón, le valieron a Millikan ser merecedor del Premio Nóbel de física en 1923.

El efecto fotoeléctrico es la base de la producción de energía eléctrica por radiación solar, se utiliza también en los sensores utilizados en las cámaras digitales, las transmisiones por fax, los tubos de televisión, etc.

Ejemplo del fotoeléctrico.

Tenemos 3 fuentes luminosas que inciden sobre una placa de potasio. La función trabajo es de 2ev (electrón voltio, una medida de la energía que se usa comúnmente en el análisis del efecto fotoeléctrico).

- La primera fuente luminosa tiene una longitud de onda de 700nm (nanómetros = 10-9m), esto significa lo siguiente:

E = hxט = hxc/λ

E = 6.625x10-34J.sx(3x108m/s)/(700x10-9m) = 2.84x10-19J.s

Como 1 J.s = 6.242x1018 ev

E = 2.84X10-19 x (6.242x1018 ev) = 1.77 ev

Como se necesitan 2ev de energía para desprender el electrón, la energía que absorve el electrón no es suficiente para desprenderse de la placa de potasio.

- La segunda fuente tiene una longitud de onda de 550mm. Haciendo las mismas operaciones, la energía que absorve el electrón es de 2.25ev, lo que le permite salir del metal porque sólo necesitaba de 2ev.

La energía que tiene el electrón al salir es energía cinética

Ek = 2.25ev – 2ev = 0.25ev

Como 1ev = 1.602x10-19 J

Ek = 0.25x(1.602x10-19J) = 4.1x10-20J

Como Ek = 0.5mv2 → V = (2xEk/m)0.5
v =(2*4.1x10-20J/(9.1x10-31kg))0.5 = 2.96x105m/s

V = Velocidad con la que sale el electrón de la placa, tal como indica la figura.

- La tercera fuente tiene una longitud de onda de 400mm. Haciendo las mismas operaciones, la energía que absorve el electrón es de 3.10ev, lo que le permite salir del metal porque sólo necesitaba de 2ev.

La energía que tiene el electrón al salir es energía cinética.

Ek = 3.10ev – 2ev = 1.10ev

Realizando las mismas operaciones para el caso de la segunda fuente, la velocidad V con la que sale el electrón de la placa es 6.22x105m/s