Efecto fotoeléctrico: definición, ecuación y experimento

Todo lo aprendido en física clásica dio un vuelco cuando los físicos exploraron reinos cada vez más pequeños y descubrieron efectos cuánticos. Entre los primeros de estos descubrimientos se encuentra el efecto fotoeléctrico. A principios de la década de 1900, los resultados de este efecto no coincidieron con las predicciones clásicas y solo se podían explicar con la teoría cuántica, lo que abrió un mundo completamente nuevo para los físicos.

Hoy en día, el efecto fotoeléctrico también tiene muchas aplicaciones prácticas. Desde la obtención de imágenes médicas hasta la producción de energía limpia, el descubrimiento y la aplicación de este efecto ahora tiene implicaciones que van mucho más allá de la simple comprensión de la ciencia.

Cuando la luz, o radiación electromagnética, golpea un material como una superficie metálica, ese material a veces emite electrones, llamadosfotoelectrones. Esto se debe esencialmente a que los átomos del material absorben la radiación en forma de energía. Los electrones de los átomos absorben la radiación saltando a niveles de energía más altos. Si la energía absorbida es lo suficientemente alta, los electrones abandonan su átomo de origen por completo.

Este proceso a veces también se llamafotoemisiónporque los fotones incidentes (otro nombre para las partículas de luz) son la causa directa de la emisión de electrones. Debido a que los electrones tienen carga negativa, la placa de metal de la que se emitieron queda ionizada.

Sin embargo, lo más especial del efecto fotoeléctrico fue que no siguió las predicciones clásicas. La forma en que se emitieron los electrones, el número que se emitió y cómo esto cambió con la intensidad de la luz dejó a los científicos rascándose la cabeza inicialmente.

Las predicciones originales sobre los resultados del efecto fotoeléctrico hechas a partir de la física clásica incluyeron lo siguiente:

1. La energía se transfiere de la radiación incidente a los electrones. Se asumió que cualquier energía que incida sobre el material sería absorbida directamente por los electrones de los átomos, independientemente de la longitud de onda. Esto tiene sentido en el paradigma de la mecánica clásica: todo lo que viertes en el cubo llena el cubo en esa cantidad.
2. Los cambios en la intensidad de la luz deberían producir cambios en la energía cinética de los electrones. Si se supone que los electrones están absorbiendo cualquier radiación que incida sobre ellos, entonces más de la misma radiación debería darles más energía en consecuencia. Una vez que los electrones han abandonado los límites de sus átomos, esa energía se ve en forma de energía cinética.
3. La luz de muy baja intensidad debería producir un desfase de tiempo entre la absorción de luz y la emisión de electrones. Esto se debe a que se asumió que los electrones deben ganar suficiente energía para salir de su átomo de origen, y la luz de baja intensidad es como agregar energía a su "cubo" de energía más lentamente. Tarda más en llenarse y, por lo tanto, debería pasar más tiempo antes de que los electrones tengan suficiente energía para ser emitidos.

Los resultados reales no fueron en absoluto consistentes con las predicciones. Esto incluyó lo siguiente:

1. Los electrones se liberaron solo cuando la luz incidente alcanzó o excedió una frecuencia umbral. No se produjo ninguna emisión por debajo de esa frecuencia. No importaba si la intensidad era alta o baja. Por alguna razón, la frecuencia, o la longitud de onda de la luz en sí, era mucho más importante.
2. Los cambios en la intensidad no produjeron cambios en la energía cinética de los electrones. Cambiaron solo el número de electrones emitidos. Una vez que se alcanzó la frecuencia umbral, aumentar la intensidad no agregó más energía a cada electrón emitido en absoluto. En cambio, todos terminaron con la misma energía cinética; había más de ellos.
3. No hubo desfase de tiempo a bajas intensidades. Parecía que no se requería tiempo para "llenar el balde de energía" de un electrón dado. Si se iba a emitir un electrón, se emitía de inmediato. La menor intensidad no tuvo ningún efecto sobre la energía cinética o el tiempo de retraso; simplemente resultó en la emisión de menos electrones.

La única forma de explicar este fenómeno era invocar la mecánica cuántica. Piense en un rayo de luz no como una onda, sino como una colección de paquetes de ondas discretos llamados fotones. Todos los fotones tienen valores de energía distintos que corresponden a la frecuencia y longitud de onda de la luz, como se explica por la dualidad onda-partícula.

Además, considere que los electrones solo pueden saltar entre estados de energía discretos. Solo pueden tener valores de energía específicos, pero nunca valores intermedios. Ahora, los fenómenos observados se pueden explicar de la siguiente manera:

1. Los electrones se liberan solo cuando absorben valores de energía suficientes muy específicos. Se liberará cualquier electrón que obtenga el paquete de energía correcto (energía de fotones). No se libera ninguno si la frecuencia de la luz incidente es demasiado baja independientemente de la intensidad porque ninguno de los paquetes de energía es lo suficientemente grande individualmente.
2. Una vez que se excede la frecuencia umbral, aumentar la intensidad solo aumenta la cantidad de electrones liberado y no la energía de los electrones mismos porque cada electrón emitido absorbe un discreto fotón. Una mayor intensidad significa más fotones y, por lo tanto, más fotoelectrones.
3. No hay retardo de tiempo incluso a baja intensidad siempre que la frecuencia sea lo suficientemente alta porque tan pronto como un electrón obtiene el paquete de energía correcto, se libera. La baja intensidad solo da como resultado menos electrones.

Un concepto importante relacionado con el efecto fotoeléctrico es la función de trabajo. También conocida como energía de enlace de electrones, es la energía mínima necesaria para eliminar un electrón de un sólido.

La fórmula de la función trabajo viene dada por:

Dónde-mies la carga de electrones,ϕes el potencial electrostático en el vacío cerca de la superficie ymies el nivel de Fermi de electrones en el material.

El potencial electrostático se mide en voltios y es una medida de la energía potencial eléctrica por unidad de carga. De ahí el primer término de la expresión,-eϕ, es la energía potencial eléctrica de un electrón cerca de la superficie del material.

El nivel de Fermi se puede considerar como la energía del electrón más externo cuando el átomo está en su estado fundamental.

Estrechamente relacionada con la función de trabajo está la frecuencia umbral. Esta es la frecuencia mínima a la que los fotones incidentes provocarán la emisión de electrones. La frecuencia está directamente relacionada con la energía (una frecuencia más alta corresponde a una energía más alta), por lo que se debe alcanzar una frecuencia mínima.

Por encima del umbral de frecuencia, la energía cinética de los electrones depende de la frecuencia y no de la intensidad de la luz. Básicamente, la energía de un solo fotón se transferirá por completo a un solo electrón. Una cierta cantidad de esa energía se usa para expulsar el electrón y el resto es su energía cinética. Nuevamente, una mayor intensidad solo significa que se emitirán más electrones, no que los emitidos tengan más energía.

La energía cinética máxima de los electrones emitidos se puede encontrar mediante la siguiente ecuación:

DóndeK_maxes la energía cinética máxima del fotoelectrón,hes la constante de Planck = 6.62607004 × 10^-34 metro²kg / s,Fes la frecuencia de la luz yF₀es la frecuencia umbral.

Puede pensar en el descubrimiento del efecto fotoeléctrico como si sucediera en dos etapas. Primero, el descubrimiento de la emisión de fotoelectrones de ciertos materiales como resultado de la luz incidente, y segundo, la determinación que este efecto no obedece en absoluto a la física clásica, lo que condujo a muchos fundamentos importantes de nuestra comprensión de la tecnología cuántica. mecánica.

Heinrich Hertz observó por primera vez el efecto fotoeléctrico en 1887 mientras realizaba experimentos con un generador de chispas. La configuración involucró dos pares de esferas de metal. Las chispas generadas entre el primer conjunto de esferas inducirían a las chispas a saltar entre el segundo conjunto, actuando así como transductor y receptor. Hertz pudo aumentar la sensibilidad de la configuración al iluminarla. Años después, J.J. Thompson descubrió que el aumento de la sensibilidad se debía a que la luz provocaba la expulsión de electrones.

Si bien el asistente de Hertz, Phillip Lenard, determinó que la intensidad no afectaba la energía cinética de los fotoelectrones, fue Robert Millikan quien descubrió la frecuencia umbral. Más tarde, Einstein pudo explicar el extraño fenómeno asumiendo la cuantificación de la energía.

Albert Einstein fue galardonado con el Premio Nobel en 1921 por su descubrimiento de la ley de la energía fotoeléctrica. efecto, y Millikan ganó el Premio Nobel en 1923 también por trabajos relacionados con la comprensión de la fotoeléctrica efecto.

El efecto fotoeléctrico tiene muchos usos. Uno de ellos es que permite a los científicos sondear los niveles de energía de los electrones en la materia determinando la frecuencia umbral a la que la luz incidente provoca la emisión. Los tubos fotomultiplicadores que utilizan este efecto también se utilizaron en cámaras de televisión más antiguas.

Una aplicación muy útil del efecto fotoeléctrico es la construcción de paneles solares. Los paneles solares son conjuntos de células fotovoltaicas, que son células que utilizan los electrones expulsados ​​de los metales por la radiación solar para generar corriente. A partir de 2018, casi el 3 por ciento de la energía mundial es generada por paneles solares, pero este número es Se espera que crezca considerablemente en los próximos años, especialmente a medida que la eficiencia de dichos paneles aumenta.

Pero lo más importante de todo, el descubrimiento y la comprensión del efecto fotoeléctrico sentó las bases para el campo de la mecánica cuántica y una mejor comprensión de la naturaleza de la luz.

Hay muchos experimentos que se pueden realizar en un laboratorio de introducción a la física para demostrar el efecto fotoeléctrico. Algunos de estos son más complicados que otros.

Un simple experimento demuestra el efecto fotoeléctrico con un electroscopio y una lámpara UV-C que proporciona luz ultravioleta. Coloque una carga negativa en el electroscopio para que la aguja se desvíe. Luego, ilumine la lámpara UV-C. La luz de la lámpara liberará electrones del electroscopio y lo descargará. Puede darse cuenta de que esto sucede al ver cómo se reduce la deflexión de la aguja. Sin embargo, tenga en cuenta que si intentara el mismo experimento con un electroscopio cargado positivamente, no funcionaría.

Hay muchas otras formas posibles de experimentar con el efecto fotoeléctrico. Varias configuraciones involucran una fotocélula que consiste en un ánodo grande que, cuando es golpeado por la luz incidente, libera electrones que son captados por un cátodo. Si esta configuración está conectada a un voltímetro, por ejemplo, el efecto fotoeléctrico se hará evidente cuando la luz brillante crea un voltaje.

Las configuraciones más complejas permiten una medición más precisa e incluso le permiten determinar la función de trabajo y las frecuencias de umbral para diferentes materiales. Consulte la sección de Recursos para ver los enlaces.