El Efecto Fotoelectrico Formulas Explicacion de la Teoría
El Efecto Fotoeléctrico - Explicación de la Teoría - Fórmulas
Cuando Einstein recibió el Premio Nobel en 1921, fue su explicación sobre el efecto fotoeléctrico y no su artículo sobre la relatividad especial lo que se citaría. Quizá fuera debido en parte a la negativa de los científicos a aceptar la teoría especial después de tan poco tiempo. Aún así, su análisis del efecto fotoeléctrico en su artículo “Heurística de la generación y conversión de la luz” es de por sí un trabajo revolucionario. Al explicar un efecto que contradecía las creencias de su tiempo sobre la naturaleza de la luz, Einstein contribuyó a la visión global de hoy en día sobre el mundo subatómico, que no sólo el hombre de la calle, sino incluso los propios físicos tienen problemas en imaginar. (mas abajo ver: La historia del fenómeno)
EXPLICACIÓN Y FÓRMULAS DEL FENÓMENO FÍSICO DEL EFECTO FOTOELÉCTRICO
Este efecto, se trata de otro fenómeno que, al igual que la radiación de cuerpo negro, también involucra la interacción entre la radiación y la materia. Pero esta vez se trata de absorción de radiación de metales
Heinrich Hertz (1857-1894), científico alemán, fue el primero en observar el efecto fotoeléctrico, en 1887, mientras trabajaba en la generación de ondas de radio. Informó esta observación pero no se dedicó a explicarla
Al incidir luz ultravioleta sobre el cátodo metálico (fotocátodo) se detecta el paso de una corriente eléctrica. Se trata de electrones que abandonan el cátodo (colector) y se dirigen al ánodo a través del vacío dentro del tubo. Los electrodos se hallan conectados a una diferencia de potencial de sólo unos pocos voltios.
La teoría electromagnética clásica considera que la radiación de mayor intensidad (o brillo, si es visible), que corresponde a ondas de mayor amplitud, transporta mayor energía. Esta energía se halla distribuida uniformemente a lo largo del frente de onda. La intensidad es igual a la energía que incide, cada unidad de tiempo, en una unidad de superficie.
Con radiación ultravioleta de diferentes intensidades, los electrones salen del metal con la misma velocidad. La radiación más intensa arranca mayor número de electrones. Esta observación también resultaba inexplicable.
Con luz ultravioleta, aun de baja intensidad, los electrones son arrancados prácticamente en forma instantánea, aunque la Física clásica predecía un tiempo de retardo hasta que los átomos absorbieran la energía necesaria para expulsar el electrón. Con luz visible este fenómeno no se observa, aunque se aumente la intensidad de la luz y se ilumine durante mucho tiempo, como para que el átomo absorba bastante energía. Esta observación resultaba inexplicable.
EXPLICACION FISICA DEL FENOMENO
Planck había llegado a la conclusión de que el traspaso de energía entre la materia y la radiación en el cuerpo negro ocurría a través de paquetes de energía. Sin embargo, no quiso admitir que la energía radiante una vez desprendida de la materia también viajaba en forma corpuscular. Es decir que siguió considerando a la radiación que se propaga como una onda clásica.
En 1905, Albert Einstein fue un paso más allá al explicar completamente las características del efecto fotoeléctrico. Para ello retomó la idea del cuanto de energía de Planck, postulando que:
La radiación electromagnética está compuesta por paquetes de energía o fotones. Cada fotón transporta una energía E= v . h , donde v es la frecuencia de la radiación y h es la constante de Planck.
Cuando un fotón incide sobre el metal, transfiere toda su energía a alguno de los electrones. Si esta energía es suficiente para romper la ligadura del electrón con el metal, entonces el electrón se desprende. Si el fotón transporta más energía de la necesaria, este exceso se transforma en energía cinética del electrón:
Expresado en fórmula matematica es: Ecinética = h . v - Eextracción donde Eextracción es la energía necesaria para vencer la unión con el metal.
Esta teoría explica perfectamente los hechos observados:
1. Si la frecuencia de la radiación es baja (como en la luz visible), los fotones no acarrean la suficiente energía como para arrancar electrones, aunque se aumente la intensidad de la luz o el tiempo durante el cual incide.
Para cada tipo de material existe una frecuencia mínima por debajo de la cual no se produce el efecto fotoeléctrico.
2. Si la frecuencia de la radiación es suficiente para que se produzca el efecto fotoeléctrico, un crecimiento de la intensidad hace que sea mayor el número de electrones arrancados (por ende será mayor la corriente), pero no afecta la velocidad de los electrones.
Aumentar la intensidad de la luz equivale a incrementar el número de fotones, pero sin aumentar la energía que transporta cada uno.
3. Según la teoría clásica, habría un tiempo de retardo entre la llegada de la radiación y la emisión del primer electrón. Ya que la energía se distribuye uniformemente sobre el frente de la onda incidente, ésta tardaría al menos algunos cientos de segundos en transferir la energía necesaria. La teoría de Einstein, en cambio, predice que:
Una radiación de frecuencia adecuada, aunque de intensidad sumamente baja, produce emisión de electrones en forma instantánea.
Pasaron diez años de experimentación hasta que la nueva teoría fue corroborada y aceptada. Se determinó el valor de h a partir de experiencias de efecto fotoeléctrico y se encontró que concordaba perfectamente con el valor hallado por Planck a partir del espectro de radiación de cuerpo negro.
Desde ese momento los físicos aceptaron que, si bien la luz se propaga como si fuera una onda, al interactuar con la materia (en los procesos de absorción y emisión) se comporta como un haz de partículas. Esta sorprendente conducta es lo que se ha llamado la naturaleza dual de la luz. Esto muestra que las ideas surgidas del mundo macroscópico no son aplicables al inimaginable mundo de lo diminuto.
Ninguna rama de las ciencias físicas ha tenido tantas repercusiones filosóficas como la teoría de los cuantos, pues al descubrir un abismo, una discontinuidad radical en la estructura de la naturaleza, parece haber hallado también barreras infranqueables al entendimiento humano. Al trabajar en las oscuras interioridades del átomo, donde cada fenómeno tiene simultáneamente el doble aspecto de materia y de energía, los primeros teóricos de la física cuántica, Max Planck y Niels Bohr, descubrieron que la energía no se propaga de manera continua sino a saltos. Estos saltos o cuantos de energía configuran el sustrato de la realidad como una especie de granulado indivisible que pone en duda la continuidad de la materia.
Un lirio (arriba) y sus granos de polen (dcha.) enormemente amplificados sugieren de algún modo la realidad del mundo cuántico. Un microscopio electrónico nos revela la minuciosa estructura del polvo de polen; mas, a nivel subatómico —como se aprecia en el recuadro menor, que representa la estructura de un cristal de iridio fotografiado mediante un microscopio ultramoderno (hasta el momento, la realidad fotografiable más semejante al átomo)—, lo que parece una sólida arquitectura fija es, en realidad, un sistema de intercambios energéticos, que acaecen a velocidades inimaginables en repentinos y discontinuos saltos.
APLICACIÓN: LA CÉLULA FOTOELÉCTRICA
En 1887, Hertz había notado que la luz, al iluminar ciertas substancias, extraía de éstas partículas dotadas de carga negativa, es decir, electrones. Éste fue el efecto fotoeléctrico que hizo posible, al comienzo de nuestro siglo, el nacimiento de maravillas como la telefotografía, es decir, la transmisión a distancia de fotografías (Korn, 1907); el film sonoro (De Forest, 1923); la televisión (B.aird, 1925).
En 1888, el físico Hallwachs descubrió que un electroscopio se cargaba de electricidad cuando sus hojitas eran iluminadas por rayos ultravioletas. Este fenómeno, que fue llamado efecto Hallwachs, permitió construir un dispositivo mágico que, cuando es tocado por una luz o una radiación del mismo tipo, produce corriente eléctrica: la célula fotoeléctrica.
Esta célula fotoeléctrica está constituida por un electrodo metálico cubierto por una substancia que emite fácilmente electrones cuando iluminada; los electrones recogidos por otro electrodo formado por una partícula metálica, y así origina una corriente eléctrica cu intensidad es proporcional a la intensidad de la iluminación, y que, natural mente, se interrumpe cuando la iluminación cesa.
La célula fotoeléctrica es de fácil construcción y muy económica, es ya uno de los aparatos funda mentales de la civilización mecánico Tiene una infinidad de aplicaciones y ejecuta trabajos realmente prodigiosos. Por ejemplo, supongamos que hay que introducir cien paquetes de cigarrillos en una caja. Una cinta de goma lleva en fila los paquetes y los vuelca en la caja; una célula fotoeléctrica es iluminada con un rayo de luz que es interrumpido por el paso de cada uno de los paquetes de cigarrillos. A la misma está conectado un dispositivo que cuenta y que, al registrar cien interrupciones de luz, da orden de cambiar la caja. Se dirá que también un hombre puede hacer el mismo trabajo. Naturalmente; pero la célula puede contar cien paquetes por segundo-sin cansarse y sin equivocarse.
Las células fotoeléctricas sirven, sobre todo, en los casos en que es necesario un centinela. Así, las células señalan el paso de personas a través de puertas, disparan dispositivos de alarma, bloquean las máquinas cuando el operador se acerca a partes peligrosas, y hasta intervienen en la seguridad de nuestras casas. En efecto, todas las instalaciones de calefacción a nafta poseen una célula que controla que el hogar se mantenga encendido. Si la llama se apagara, sería peligroso continuar inyectando el combustible, de modo que si la célula no ve el resplandor de la llama, detiene el flujo.
HISTORIA DEL EFECTO FOTOELÉCTRICO
El primer investigador que mencionó un efecto fotoeléctrico superficial fue Hertz, en 1887. Un año después, Hallwachs, basándose en los resultados de Hertz, encontró que una lámina de cinc pulida aislada retenía una carga positiva, puesta de manifiesto con un electroscopio, pero, sin embargo, perdía una carga eléctrica negativa, si bajo las mismas condiciones era iluminada por la luz de un arco de carbón.
Demostró también que sólo la luz ultravioleta era la responsable de este efecto. Más adelante, Elster y Geitel demostraron que había algunos metales (sodio, potasio) que eran sensibles a la luz visible, y fueron capaces de construir células fotoeléctricas muy sencillas. Ellos establecieron que la corriente fotoeléctrica a través de sus células era directamente proporcional a la intensidad de luz dentro de un cierto intervalo.
A fines del siglo XIX (en 1899), P. Lenard y J. J. Thomson, independientemente, demostraron que los portadores de electricidad negativa arrancados de las superficies metálicas eran electrones. Por su parte, Lenard demostró que la energía de los electrones arrancados no dependía de la intensidad de la luz, mientras que el número de electrones era proporcional a dicha intensidad. Estos resultados, que no podían ser explicados por la teoría ondulatoria de la luz, llevaron a Einstein a formular una nueva teoría sobre la naturaleza de la luz, en 1905.
Einstein sugirió que la luz podía considerarse como compuesta por pequeñísimos corpúsculos, cuantos de luz o fotones, cada uno de los cuales tenía una cantidad de energía igual a h v, donde h era la famosa constante de Planck, y v la frecuencia de la luz.
Cuando la luz era absorbida por el metal, el corpúsculo luminoso desaparecía como tal, pero transfería su energía al electrón dentro del metal, con el cual había chocado, y éste entonces podía escapar si la energía del corpúsculo de luz era superior a la energía con que el electrón estaba unido al metal. Por esta teoría, Einstein recibió, años más tarde, el premio Nobel.
La intensidad de un rayo luminoso viene dada por el número de fotones; por lo tanto, cuanto mayor sea la intensidad, mayor será la energía total que llegue a la superficie del metal. Sin embargo, no importa el número de fotones que choquen con la superficie, porque, si su energía individual es baja, no pueden arrancar ni un solo electrón.
Cuando la energía de los fotones es individualmente superior al umbral, entonces cada uno puede arrancar un electrón y, en este caso, cuanto más intensa sea la iluminación, mayor será el número de electrones arrancados y más intensa la corriente fotoeléctrica. Los materiales como el selenio se utilizan para los fotómetros porque tienen un umbral bastante bajo, y todos los fotones de luz visible tienen suficiente energía para liberar electrones.
Es posible obtener materiales que sean sensibles incluso a la luz infrarroja recubriendo sus superficies de un modo especial. Si se oxida cesio metálico de manera especial, y se deposita sobre una película muy delgada de plata, toda la estructura de la superficie se altera y hace falta una pequeña cantidad de energía para arrancar un electrón.
Este tipo de material puede utilizarse en instrumentos para registrar la recepción de luz infrarroja invisible. Desde el punto de vista de aplicación del efecto fotoeléctrico, la combinación de la célula fotoeléctrica con el amplificador termoiónico ha proporcionado un mecanismo sensible a la luz, que hizo posible la realización de adelantos científicos tales como la televisión, el cine sonoro y la transmisión de fotografías por telégrafo.
Ondas y paquetes
La luz se compone de "paquetes" básicos de energía, llamados fotones. Bajo ciertas circunstancias, éstos actúan como si fuesen objetos sueltos. En condiciones distintas, la luz se comporta como una onda continua de energía. Otra de sus características es que si, por ejemplo, una persona parada a 10 m de distancia de una lámpara, se aleja a 20 m de ésta, la luz que recibirá no será la mitad, sino la cuarta parte de la que recibía en un principio. Ello se debe a que la luz se propaga en círculos, y al duplicarse la distancia tiene que cubrir cuatro veces la misma área. La fuerza de gravedad disminuye de igual manera y, según proponen los científicos, también se desplaza en forma de partículas, de ondas o de ambas; aunque ninguna de éstas ha sido descubierta todavía. Así que la paradoja subsiste: pese a saber exactamente lo que hace la gravedad y poder predecir sus efectos con precisión, se desconoce lo que es en realidad. La más familiar de las fuerzas que gobiernan el universo resulta ser la más misteriosa.
.(leer mas sobre la historia del fenómeno)
