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2.2. Efecto fotoeléctrico. Teoría corpuscular de la luz

A finales del s. XIX, en 1887, Heinrich Hertz se afanaba por demostrar empíricamente la existencia de las ondas electromagnéticas que había postulado veinte años antes el magnífico científico James Clerk Maxwell y, durante esos experimentos, descubrió un fenómeno inquietante que no pudo explicar y que consistía en que la chispa que saltaba entre dos esferas cargadas se hacía más intensa si se iluminaba una de ellas con luz ultravioleta.
http://www.espanito.com/xv-hertz-ondas-electromagnticas.html

Hay que tener en cuenta que este fenómeno fue estudiado poco después de por Philipp Lenard de manera sistemática y llegó a conclusiones que chocaban frontalmente con los postulados de Maxwell en cuanto a la interacción de la radiación electromagnética con la materia. Parecía claro que la teoría ondulatoria de la luz no era capaz de explicar este fenómeno que se llamó fotoeléctrico.

Teoría corpuscular de la luz

Fue Isaac Newton quien propuso esta teoría para la luz en 1704. Según este modelo, la luz está formada por infinidad de partículas diminutas perfectamente elásticas que se desplazan a una velocidad enorme y en línea recta. Este modelo explicaba satisfactoriamente los fenómenos de propagación rectilínea de la luz y el de la reflexión. Newton también fue capaz de buscar una explicación al fenómeno de la refracción achando la diferencia de velocidad en distintos medios a la interacción gravitatoria de las partículas de luz con las partículas del medio (aunque esa explicación no era demasiado consistente con algunos hechos observados).

Explicación propuesta por Einstein

Albert Einstein publicó en 1905 un magnífico artículo en el que explicaba el observado efecto fotoeléctrico y lo hacía rescatando el modelo corpuscular de la luz, lo que abría la posibilidad de considerar que la luz tiene una naturaleza dual (onda y partícula a la vez). Según Einstein, la luz está formada por partículas llamadas fotones cuya energía viene dada por la frecuencia de la radiación.

Se sabía que:

  • El que se produjesen fotoelectrones era independiente de la intensidad de la luz. Aunque se aumentase la intensidad de una radiación, si ésta no producía emisión de electrones, no lo haría aunque se aumentase su intensidad.
  • La emisión de fotoelectrones estaba asociada, para un mismo metal, a cierto tipo de radiaciones. Aparecía el efecto a partir de cierta radiación del espectro. Cuanto mayor fuera la frecuencia de la radiación, mayor parecía la energía de los electrones emitidos.
Basándose en la hipótesis de Planck, Einstein postuló que los fotones de una radiación debían tener un valor mínimo de energía para que, al chocar con los electrones de la superficie del metal, fuesen capaces de transferirles la energía necesaria para hacerlos abandonar el metal. A ese valor de energía lo llamó energía umbral y es similar al valor del potencial de ionización de cada metal, estando relacionado este valor mínimo de energía con un valor de frecuencia que llamó frecuencia umbral (ν0). Frecuencia umbral
Energía de los electrones

La energía del fotón vendría dada por la expresión de Planck (E = h·ν). Si la frecuencia de la radiación es mayor que la frecuencia umbral, la energía cinética de los fotoelectrones sería la diferencia entre la energía de la radiación y la energía umbral:

Ecinet = Ei - Eu

\frac{1}{2}m_e\cdot v_e^2 = h\cdot \nu_i - h\cdot \nu_u

Estoy seguro de que el siguiente vídeo te ayudará a terminar de comprender este efecto y la explicación de Einstein de una manera muy gráfica:

Cibermatex / EjerciciosFyQ (CC0)

¿Y la teoría ondulatoria?

¿Por qué la teoría ondulatoria de la luz no es capaz de explicar el efecto fotoeléctrico?

Es una buena pregunta que merece una reflexión por tu parte. Quizás sea buena idea que busques información en Internet sobre ello o, mejor aún, sobre el modelo ondulatorio de Huygens. Después puedes ver la explicación que propongo y contrastarla con la tuya.

Séptimo ejercicio

El siguiente ejercicio es un ejemplo con el que puedes practicar sobre el Efecto Fotoeléctrico.

Determina la energía cinética con la que será expulsado un electrón del cesio al emplear una radiación de 850 nm si sabemos que la energía umbral del Cs es 6,22·10-19 J.

Te dejo algunos ejercicios resueltos para que puedas ir practicando. En la misma web puedes encontrar muchos otros ejercicios. Recuerda que siempre es mejor intentar hacerlos y luego comprobar si tu desarrollo o respuesta ha sido correcta.

Ejercicio 1 ; Ejercicio 2 ; Ejercicio 3 ; Ejercicio 4.