Mapa mental: Efecto fotoeléctrico: fotones y emisión de electrones

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Efecto fotoeléctrico: fotones y emisión de electrones

Contenido del mapa

Efecto fotoeléctrico — Emisión de electrones de un material cuando recibe luz de frecuencia suficientemente alta.
- Definición e historia — Qué es el fenómeno y quiénes lo estudiaron.
  - Emisión de electrones — La luz arranca electrones de la superficie de un material, normalmente un metal.
  - Hertz (1887) — Fue el primero en observar el fenómeno.
  - Lenard — Estudió el fenómeno experimentalmente después de Hertz.
  - Einstein (1905) — Lo explicó con los cuantos de luz y recibió el Nobel en 1921.
- Observaciones experimentales — Resultados obtenidos al iluminar el cátodo de una celda al vacío con luz monocromática.
  - Montaje — Celda al vacío con un cátodo emisor y un ánodo colector.
  - Frecuencia umbral ν₀ — Por debajo de ν₀ no hay emisión, sea cual sea la intensidad.
  - K_max depende de la frecuencia — A mayor frecuencia, mayor energía cinética máxima; la intensidad no influye.
  - Corriente e intensidad — El número de electrones emitidos es proporcional a la intensidad, si se supera ν₀.
  - Emisión instantánea — Los electrones salen en menos de 10⁻⁹ s, sin retardo apreciable.
- Fracaso de la física clásica — La teoría ondulatoria de la luz no explicaba las observaciones.
  - Luz como onda continua — Su energía depende de la intensidad y se reparte sobre la superficie.
  - Predicciones erróneas — Lo que la teoría clásica esperaba y el experimento no confirmó.
    - Sin umbral — Debería haber emisión con cualquier frecuencia si la luz es bastante intensa.
    - K_max según intensidad — La energía cinética debería crecer con la intensidad.
    - Retardo temporal — Los electrones deberían tardar en acumular energía.
- Explicación de Einstein — La luz está formada por fotones que ceden su energía a los electrones.
  - Fotón: E = hν — Cada fotón tiene una energía proporcional a su frecuencia; h = 6.626 × 10⁻³⁴ J·s.
  - Un fotón, un electrón — Cada fotón transfiere toda su energía a un único electrón.
  - Función de trabajo φ — Energía mínima necesaria para extraer un electrón del material.
  - K_max = hν − φ — La energía que sobra tras vencer φ se convierte en energía cinética.
    - Umbral: ν₀ = φ/h — Si hν < φ, ningún electrón puede escapar.
    - Relación lineal — K_max crece linealmente con ν, con pendiente h.
- Potencial de frenado — Tensión V₀ que detiene a los electrones más rápidos y permite medir K_max.
  - eV₀ = hν − φ — Condición de frenado; e = 1.602 × 10⁻¹⁹ C.
  - Gráfica V₀ frente a ν — Es una recta que permite medir h y φ.
    - Pendiente h/e — La pendiente de la recta permite calcular la constante de Planck.
    - Corte en ν₀ — La intersección con el eje de frecuencias da la frecuencia umbral.
- Importancia y aplicaciones — Consecuencias teóricas y usos tecnológicos del fenómeno.
  - Base de la mecánica cuántica — Demostró la naturaleza corpuscular de la luz y la cuantización de la energía.
  - Celdas solares — Convierten la luz en corriente eléctrica.
  - Fotodetectores y cámaras digitales — Detectan luz y la convierten en señales eléctricas.
  - Fotomultiplicadores — Tubos que detectan señales de luz muy débiles.

El efecto fotoeléctrico es el fenómeno por el cual un material, generalmente metálico, emite electrones desde su superficie cuando recibe luz de frecuencia suficientemente alta. Heinrich Hertz lo observó por primera vez en 1887 y Philipp Lenard lo estudió después. La explicación satisfactoria llegó en 1905 con Albert Einstein, quien se basó en la hipótesis de los cuantos de Max Planck. Por este trabajo recibió el Premio Nobel de Física en 1921.

El experimento típico usa una celda fotoeléctrica al vacío con dos electrodos: un cátodo, que es el material emisor, y un ánodo, que recoge los electrones. Al iluminar el cátodo con luz monocromática se observan cuatro hechos. Primero, existe una frecuencia umbral ν₀: por debajo de ella no se emiten electrones, por intensa que sea la luz. Segundo, la energía cinética máxima de los electrones (K_max) depende de la frecuencia y no de la intensidad. Tercero, la corriente, es decir, el número de electrones emitidos por unidad de tiempo, es proporcional a la intensidad, siempre que se supere el umbral. Cuarto, la emisión es instantánea, con un retardo menor que 10⁻⁹ s.

La física clásica trata la luz como una onda cuya energía depende de la intensidad y se reparte de forma continua. Por eso predecía tres cosas: emisión para cualquier frecuencia si la luz es bastante intensa, energía cinética creciente con la intensidad y un retardo para que los electrones acumulen energía. Ninguna de estas predicciones se cumplía en los experimentos.

Einstein propuso que la luz está formada por partículas discretas llamadas fotones. Cada fotón tiene energía E = hν, donde h = 6.626 × 10⁻³⁴ J·s es la constante de Planck y ν es la frecuencia. Un fotón entrega toda su energía a un único electrón. Una parte de esa energía sirve para vencer la función de trabajo φ, que es la energía mínima para arrancar un electrón del material. El resto se convierte en energía cinética. Así se obtiene la ecuación K_max = hν − φ. Si hν < φ no hay emisión, lo que explica la frecuencia umbral ν₀ = φ/h. Por encima del umbral, K_max crece linealmente con la frecuencia, con pendiente h.

Para medir K_max se aplica un potencial de frenado V₀ que detiene incluso a los electrones más rápidos. La condición de frenado es eV₀ = hν − φ, donde e = 1.602 × 10⁻¹⁹ C. Si se representa V₀ frente a ν se obtiene una recta. Su pendiente es h/e y su corte con el eje de frecuencias da ν₀. Esto permite medir experimentalmente h y φ.

El efecto fotoeléctrico fue clave para el nacimiento de la mecánica cuántica. Demostró la naturaleza corpuscular de la luz y la cuantización de la energía. Además, tiene aplicaciones prácticas en celdas solares, fotodetectores, cámaras digitales y tubos fotomultiplicadores.