Efecto fotoeléctrico

¿Qué es?

Es la emisión de electrones desde la superficie de un material (generalmente un metal) cuando incide sobre él radiación electromagnética de frecuencia suficientemente alta.

Contexto histórico

• Heinrich Hertz (1887): lo observa por primera vez.
• Philipp Lenard: lo estudia experimentalmente.
• Albert Einstein (1905): lo explica usando la hipótesis de los cuantos de Max Planck. Recibe el Premio Nobel de Física en 1921 por esta explicación.

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Montaje experimental

• Celda fotoeléctrica al vacío con dos electrodos:
  • Cátodo: material emisor, iluminado con luz monocromática.
  • Ánodo: recoge los electrones emitidos.

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Observaciones experimentales clave

1. Frecuencia umbral ($\nu_0$): si $\nu < \nu_0$, no hay emisión, sin importar la intensidad de la luz.
2. Energía cinética máxima ($K_{}$): depende de la , . A mayor frecuencia, mayor .

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Fracaso de la física clásica

La teoría ondulatoria supone que la energía de la luz depende de su intensidad (amplitud) y se reparte de forma continua sobre la superficie. Por eso predecía:

• Emisión para cualquier frecuencia, si la intensidad es suficiente.
• $K_{max}$ creciente con la intensidad.
• Un retardo temporal mientras los electrones acumulan energía.

Ninguna de estas predicciones se cumplía experimentalmente.

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Explicación de Einstein: el fotón

• La luz está formada por partículas discretas de energía: fotones.
• Energía de cada fotón:

$$E = h\nu$$

• $h = 6.626 \times 10^{-34}$ J·s (constante de Planck)

• $\nu$ = frecuencia de la radiación

• Cada fotón transfiere toda su energía a un solo electrón:

  • Una parte vence la función de trabajo ($\phi$), que es la energía mínima necesaria para extraer un electrón de la superficie del material.

Ecuación fundamental

$$K_{max} = h\nu - \phi$$

Consecuencias

• Si $h\nu < \phi$, no hay emisión. Por eso existe la frecuencia umbral:

$$\nu_0 = \frac{\phi}{h}$$

• Para $\nu > \nu_0$, $K_{max}$ crece linealmente con $\nu$, con .

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Potencial de frenado ($V_0$)

• Es el potencial aplicado (negativo en el ánodo) que detiene a los electrones más rápidos.
• Condición de frenado:

$$eV_0 = K_{max} = h\nu - \phi$$

• $e = 1.602 \times 10^{-19}$ C (carga del electrón)

Gráfica $V_0$ vs. $\nu$

• Es una línea recta.
• Pendiente: $h/e$, lo que permite medir $h$.
• Corte con el eje de frecuencias: $\nu_0$, lo que permite calcular $\phi$.

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Comparación clásica vs. cuántica

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Importancia y aplicaciones

• Demostró la naturaleza corpuscular de la luz y la cuantización de la energía.
• Fue clave para el desarrollo de la mecánica cuántica.
• Aplicaciones: celdas solares, fotodetectores, cámaras digitales y tubos fotomultiplicadores.

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Conceptos clave para recordar

• Frecuencia → determina si hay emisión y la energía de los electrones.
• Intensidad → determina cuántos electrones se emiten (la corriente).
• Un fotón interactúa con un solo electrón.
• $E = h\nu$ | $K_{max} = h\nu - \phi$ | |

Resumen: Cada fotón absorbido cede su energía $h\nu$ a un electrón. Este solo escapa si $h\nu > \phi$ y sale con energía cinética máxima $h\nu - \phi$. Esto explica la frecuencia umbral y la dependencia lineal con la frecuencia, en total acuerdo con los experimentos.