El Efecto Fotoeléctrico

Cuando la luz de una longitud de onda particular golpea una superficie metálica, se emiten electrones. Esto se denomina efecto fotoeléctrico. La frecuencia mínima de luz que puede causar tal emisión de electrones se llama frecuencia umbral, que es específica para el metal. La luz con una frecuencia inferior a la frecuencia umbral, incluso si es de alta intensidad, no puede iniciar la emisión de electrones. Sin embargo, cuando la frecuencia es superior al valor umbral, el número de electrones emitidos es directamente proporcional a la intensidad del haz.

Según la teoría clásica de las ondas, la energía de una onda depende de su intensidad (que depende de su amplitud), no de su frecuencia. Una parte de estas observaciones fue que el número de electrones expulsados dentro de un período de tiempo determinado aumentó a medida que el brillo aumentaba. En 1905, Albert Einstein fue capaz de resolver la paradoja incorporando los hallazgos de cuantificación de Planck en la desacreditada visión de las partículas de la luz.

Einstein argumentó que las energías cuantificadas que Planck había postulado podrían ser aplicadas a la luz en el efecto fotoeléctrico. La luz que golpea la superficie metálica no debe ser vista como una onda, sino como una corriente de partículas (más tarde llamadas fotones) cuya energía dependía de su frecuencia. La cantidad de energía (E) en un paquete de luz depende de su frecuencia (ν) de acuerdo con la siguiente ecuación:

Donde h es la constante de Planck.

El efecto fotoeléctrico se puede describir asumiendo que la luz es cuantificada. Se requiere una cierta energía mínima para superar la energía de unión (Φ) experimentada por un electrón. Esto también se conoce como la función de trabajo (W) del metal.

Puesto que los electrones en el metal tenían una cierta cantidad de energía de unión manteniéndolos allí, la luz incidente necesita tener más energía para liberar a los electrones. Los fotones de luz de baja frecuencia no contienen suficiente energía para expulsar electrones del metal. Incluso si el metal está expuesto a tal luz durante mucho tiempo, no se observa ninguna emisión de electrones. Un electrón sólo puede ser emitido cuando un fotón con energía mayor que la función de trabajo golpea el metal.

El exceso de energía del fotón se convierte en energía cinética del electrón emitido.

Por lo tanto, los electrones son expulsados cuando son golpeados por fotones que tienen suficiente energía (una frecuencia mayor que el umbral). Cuanto mayor sea la frecuencia de la luz incidente, mayor será la energía cinética impartida por las colisiones a los electrones que escapan. Einstein también sostuvo que la intensidad de la luz no dependía de la amplitud de la onda entrante, sino que correspondía al número de fotones que golpeaban la superficie dentro de un período de tiempo dado. El número de electrones expulsados aumenta con el brillo. Cuanto mayor sea el número de fotones entrantes, más probable será que colisionen con algunos de los electrones.

El efecto fotoeléctrico sugiere fuertemente el comportamiento de la luz como partícula. Einstein ganó el Premio Nobel de Física en 1921 por su explicación del efecto fotoeléctrico. Aunque muchos fenómenos de luz podrían explicarse en términos de ondas o partículas, ciertos fenómenos, como los patrones de interferencia obtenidos cuando la luz pasaba a través de una doble rendija, eran completamente contrarios a una visión de la luz como partículas, mientras que otros fenómenos, como el efecto fotoeléctrico, eran completamente contrarios a una visión de la luz como onda . De alguna manera, a un nivel fundamental profundo aún no completamente entendido, la luz es a la vez ondulante y parecida a partículas. Esto se conoce como dualidad onda-partícula.

Este texto está adaptado de Openstax, Química 2e, Sección 6.1: Energía electromagnética.