En el efecto fotoeléctrico la luz incide sobre una placa
metálica arrancando electrones de esta y mediante la generación de un campo
eléctrico por una pila o fuente se logra una corriente eléctrica.
A continuación
veremos 3 dificultades que se dieron en la explicación del fenómeno como sus
respectivas soluciones.
De acuerdo al modelo clásico, la luz incidente es una onda
electromagnética. Si se realiza un haz uniforme de luz, su energía se reparte
uniformemente en el frente de onda. Cuanto más brillante la luz (mayor
intensidad), la amplitud de los campos eléctricos y magnéticos es mayor, y por
tanto la energía de la onda es mayor.
El campo eléctrico de la luz ejerce fuerza sobre los
electrones y por lo tanto los pone en movimiento, al ganar estos suficiente
energía, serán liberados del átomo. La energía se irá acumulando (como cuando
calentamos agua en nuestra caldera), es decir, si encendemos una lámpara sobre
una lámina al esperar un cierto tiempo (se va acumulando energía) “veríamos”
como se desprenden electrones de la lámina. La luz al ser una onda
electromagnética tiene su energía en el frente de onda, por lo que está muy
“dividida” en todo este frente, es por ello el tiempo que le llevaría en
desprender los electrones sería grande. La teoría clásica predice que una luz
incidente de baja intensidad necesitaría
desde varios segundos, a incluso meses para hacer que un electrón adquiera
energía necesaria como para liberarse del átomo y por tanto del material. Sería
lógico pensar que si colocamos una lámpara con luz más intensa el tiempo en que
“veríamos” desprenderse electrones sea menor, y si la luz es poco intensa el
tiempo es mayor.
Pues no, no pasa lo mencionado anteriormente, las
observaciones indicaban que:
·
El desprendimiento de electrones se producía en
milésimas de segundos, y no se realizaba en menor tiempo necesariamente si la
luz es más intensa.
·
Una intensidad de luz mayor no generaba desprendimiento
de electrones necesariamente, sino que estaba relacionada con la frecuencia de
la luz.
·
Una intensidad de luz mayor no entregaba más
energía a los electrones, sino que era independiente.
¿Por qué se estarán preguntando?
Max Planck en 1901 mientras estudiaba el fenómeno de radiación, se imaginó a la luz de forma discontinua, como paquetes de energía. Estos tienen una cierta energía dada por la constante de Planck y la frecuencia de los fotones. Es decir, E=h.f .Estos son los portadores de la energía.
Albert Einstein en el año 1905 sabiendo de los estudios de
Planck se planteó ¿No será la luz “granular” es decir está formado por fotones(paquetes de energía), los cuales serían los
responsables de hacer que se desprendan los electrones del material metálico.
Los fotones, si tienen la energía suficiente, en algunas ocasiones para lograr
expulsar los electrones del átomo.
A la primer observación el modelo ondulatorio de la luz no
podía explicarlo pues si la luz era más intensa debía desprender más
rápidamente a los electrones porque tenía una mayor energía ella. Mediante la
utilización del modelo de la luz como fotones se podía explicar. Mirémoslo con
el siguiente ejemplo:
Analogía ente balas disparadas al azar por diferente armas
contra una serie de blancos(objetos con forma de moneda), y el haz de luz
incidiendo sobre una lámina.
Si la ráfaga de balas(fotones) es poca, el tiempo en que se
demore en dar en un blanco(electrón) será grande.
En cambio si la intensidad de balas (fotones) es mayor la
probabilidad de que la bala le dé al blanco(electrón) es mayor.
Naturalmente por azar, puede suceder que una baja intensidad
de luz, es decir, poco número de fotones le lleve menos tiempo en desprender el
primer electrón que a una alta intensidad de luz.
Pero como mencionábamos anteriormente que los fotones
desprendan electrones, dependerá de la energía con la que vienen ellos y no de
la intensidad de la luz. La energía de ellos depende de la frecuencia de la luz,
la luz de color rojo es la de menor frecuencia por lo que sus fotones no tienen
suficiente energía como para desprender electrones, en cambio la luz
ultravioleta es la de mayor frecuencia por lo que tiene energía suficiente para
desprender electrones, los otros colores pueden o no desprender electrones
dependiendo del material al que estoy incidiendo la luz.
¿Y las ecuaciones?
Cuando cada fotón incide sobre un electrón cada uno de ellos
entrega toda su energía a este, parte de esa energía se utiliza por parte del
electrón en escapar del material y el resto se transforma en energía cinética
del electrón.
Entonces: Efoton=
Eescapo + EC
No todos los electrones presenten en el material se podrán desprender
tan fácilmente(piensen cuáles serán los más fáciles de desprender), algunos
necesitarán una energía mayor para poder hacerlo. Estudiaremos los más
propensos a desprenderse a partir de un cierto valor de energía llamado “trabajo
de extracción”( ∅). Estos electrones
al necesitar menos energía para liberarse, tendrán una energía cinética máxima.
Efoton= ∅ + EC máx
Sustituyendo por la ecuación de Planck( Efoton=
h.f)
h.f= ∅ +
EC máx
Entonces la energía cinética de los electrones más rápidos
está dada por
EC máx= h.f - ∅
Preguntas
Defina efecto fotoeléctrico. Realize el bosquejo del experimento.
Defina efecto fotoeléctrico. Realize el bosquejo del experimento.
Explique por qué el modelo de Einstein funciona y el
ondulatorio no.
¿Una luz de frecuencia alta extraerá más electrones que una
de baja frecuencia?
¿Qué sucede si hf, es menor ∅?
¿Una luz brillante extraerá más electrones que un haz de luz tenue de la misma frecuencia?
¿Una luz brillante extraerá más electrones que un haz de luz tenue de la misma frecuencia?
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