efecto fotoelectrico





Instrumento

En 1905, sólo cinco años después de que Planck presentara su teoría cuántica, Albert Einstein utilizó la teoría para resolver otro misterio en la física: el efecto fotoeléctrico, un fenómeno en el que los electrones son expulsados desde la superficie de ciertos metales que se han expuesto a la luz de al menos una determinada frecuencia mínima, y que se conoce como frecuencia umbral. El número de electrones liberados era proporcional a la intensidad (o brillantez) de la luz, mas no la energía de estos electrones.  No importaba qué tan intensa fuera la luz, los electrones no eran liberados cuando  la frecuencia no llegaba al umbral.

Albert Einstein (1879-1955). Físico estadunidense nacido en Alemania. Einstein es considerado por muchos como uno de los dos físicos más grandes que ha conocido el mundo (el otro es Isaac Newton). Los tres artículos que publicó en 1905 (sobre la relatividad especial, el movimiento browniano y el efecto fotoeléctrico), cuando tenía un empleo como ayudante técnico en la oficina de patentes en Berna, Suiza, influyeron profundamente en el desarrollo de la física. En 1921 recibió el Premio Nobel de Física por su explicación del efecto fotoeléctrico.

La teoría de la luz no podía explicar el efecto fotoeléctrico, pero Einstein partió de una extraordinaria hipótesis al considerar que un rayo de luz es, en realidad, un torrente de partículas. Tomando como punto de partida la teoría cuántica de Planck, Einstein dedujo  que cada una de estas partículas de la luz, que ahora se conocen como fotones, debe poseer una energía E, de acuerdo con la ecuación

ecuación.a donde v es la frecuencia de la luz. Los electrones se mantienen unidos en el metal por fuerzas de atracción y, para emitirlos, se necesita una luz que tenga una frecuencia suficientemente  alta (es decir, una energía suficiente). El rayo de luz que incide sobre una superficie metálica puede compararse con la descarga de un rayo de partículas —fotones— sobre los átomos del metal. Si la frecuencia de los fotones es de una magnitud tal que hv es exactamente igual a la energía de enlace de los electrones en el metal, entonces la luz tendrá la energía suficiente para emitirlos. Con una luz de mayor frecuencia, los electrones  no sólo serán emitidos, también adquieren una cierta energía cinética. Esto se resume  en la siguiente ecuación

ecuación.b donde KE es la energía cinética del electrón emitidos y BE es la energía de unión del electrón en el metal. La ecuación puede escribirse como

ecuación-c para mostrar que, cuanto más energético sea el fotón (es decir, cuanto mayor sea su frecuencia), mayor será la energía cinética del electrón emitido.
Ahora considere dos rayos de luz que tienen la misma frecuencia (que es mayor que la frecuencia umbral) pero diferentes intensidades. El rayo de luz más interno consta de un mayor número de fotones; por consiguiente, emite más electrones de la superficie del metal que el rayo de luz más débil. Así que cuanto más intensa sea la luz, mayor será el número de electrones emitidos por el metal de prueba; a mayor frecuencia de la luz, mayor será la energía cinética de los electrones emitidos.

Ejercicio.a

La teoría de Einstein acerca de la luz significó un dilema para los científicos. Por un lado, dicha teoría explica satisfactoriamente el efecto fotoeléctrico. Pero, por otro lado, la teoría de partícula de la luz no es consistente con su conocido comportamiento de onda. La única forma de resolver este dilema, es aceptar la idea de que la luz posee propiedades tanto de partícula como de onda. Acorde con el tipo de experimento, la luz se comporta como onda o como torrente de partículas. Este concepto se apartaba en forma radical de lo que pensaban los físicos sobre la materia y la radiación, y tomó mucho tiempo para que se aceptara.

Ejercicio.b



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