El efecto fotoeléctrico supuso un desafío significativo para el estudio de la óptica en la última parte del siglo XIX. Desafió la teoría ondulatoria clásica de la luz, que era la teoría predominante de la época. Fue la solución a este dilema de la física lo que catapultó a Einstein a la prominencia en la comunidad de la física, lo que finalmente le valió el Premio Nobel de 1921.
¿Qué es el efecto fotoeléctrico?
Cuando una fuente de luz (o, más generalmente, radiación electromagnética) incide sobre una superficie metálica, la superficie puede emitir electrones. Los electrones emitidos de esta manera se denominan fotoelectrones (aunque siguen siendo solo electrones). Esto se muestra en la imagen de la derecha.
Configuración del efecto fotoeléctrico
Al administrar un potencial de voltaje negativo (la caja negra en la imagen) al colector, los electrones necesitan más energía para completar el viaje e iniciar la corriente. El punto en el que no llegan electrones al colector se denomina potencial de parada V s , y se puede utilizar para determinar la energía cinética máxima K max de los electrones (que tienen carga electrónica e ) mediante la siguiente ecuación:
K max = eV s
La explicación de la onda clásica
Función de trabajo phiPhi
Tres predicciones principales provienen de esta explicación clásica:
- La intensidad de la radiación debe tener una relación proporcional con la energía cinética máxima resultante.
- El efecto fotoeléctrico debe ocurrir con cualquier luz, independientemente de la frecuencia o longitud de onda.
- Debe haber un retraso del orden de segundos entre el contacto de la radiación con el metal y la liberación inicial de fotoelectrones.
El resultado experimental
- La intensidad de la fuente de luz no tuvo efecto sobre la energía cinética máxima de los fotoelectrones.
- Por debajo de una cierta frecuencia, el efecto fotoeléctrico no se produce en absoluto.
- No hay un retraso significativo (menos de 10 -9 s) entre la activación de la fuente de luz y la emisión de los primeros fotoelectrones.
Como puede ver, estos tres resultados son exactamente lo contrario de las predicciones de la teoría de ondas. No solo eso, sino que los tres son completamente contrarios a la intuición. ¿Por qué la luz de baja frecuencia no activaría el efecto fotoeléctrico, ya que todavía transporta energía? ¿Cómo se liberan los fotoelectrones tan rápidamente? Y, quizás lo más curioso, ¿por qué agregar más intensidad no resulta en liberaciones de electrones más energéticos? ¿Por qué la teoría de las ondas falla tan rotundamente en este caso cuando funciona tan bien en tantas otras situaciones?
El maravilloso año de Einstein
Sobre la base de Max Planck ‘s radiación de cuerpo negro teoría, Einstein propuso que la energía de radiación no se distribuye de forma continua sobre el frente de onda, pero en su lugar se localiza en pequeños paquetes (más tarde llamados fotones ). La energía del fotón estaría asociada a su frecuencia ( ν ), mediante una constante de proporcionalidad conocida como constante de Planck ( h ), o alternativamente, utilizando la longitud de onda ( λ ) y la velocidad de la luz ( c ):
E = hν = hc /
λo la ecuación del momento: p = h /λνφ
Sin embargo, si hay un exceso de energía, más allá de φ , en el fotón, el exceso de energía se convierte en energía cinética del electrón:
K máx = hν – φ
La energía cinética máxima se produce cuando los electrones menos unidos se liberan, pero ¿qué pasa con los que están más unidos, Aquellas en las que hay justo la energía suficiente en el fotón golpee flojo, pero la energía cinética que se traduce en cero? Estableciendo K max igual a cero para esta frecuencia de corte ( ν c ), obtenemos:
ν c = φ /
ho la longitud de onda de corte:
λ c = hc / φ
Después de Einstein
Más significativamente, el efecto fotoeléctrico y la teoría del fotón que inspiró aplastaron la teoría ondulatoria clásica de la luz. Aunque nadie podía negar que la luz se comportaba como una onda, después del primer artículo de Einstein, era innegable que también era una partícula.
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