19. Efecto fotoeléctrico. Descripción. Explicación cuántica. Teoría de Einstein. Frecuencia umbral. Trabajo de extracción.
A finales del siglo XIX se tenia una imagen del universo que parecia concluyente: las Leyes de Newton rigen el movimiento de los cuerpos, la luz tiene naturaleza ondulatoria y la materia esta formada por particulas
Efecto fotoelectrico
En 1887 Hertz descubrió accidentalmente que la luz ultravioleta modificaba el voltaje al que se producían chispas entre dos electrodos metálicos. (La descarga entre dos electrodos aumentaba si se iluminaban con luz ultravioleta.)
Lenard describió este fenómeno llamado efecto fotoeléctrico, como la emisión de electrones en superficies metálicas cuando se incide luz ultravioleta sobre ellos.
Se llegó experimentalmente a dos conclusiones:
- La energía máxima que pueden alcanzar los electrones emitidos no depende de la energía incidente (pero si de la frecuencia),
- En el efecto fotoeléctrico la emisión es instantánea.
Experiencia de Einstein
Segun Einstein, la radiacion esta formada por particulas, llamadas fotones, cuya energia seria proporcional a la frecuencia de la onda asociada. La energia viene dada por la ecuacion de Plank, [math]\displaystyle{ E= hf }[/math], donde [math]\displaystyle{ h=6,63\cdot 10^{-34} J\cdot s }[/math]
Segun Einstein, el intercambio de energia entre la radiacion y la materia solo seria posible en valores multiplos de un quanto elemental, como el traspaso de un numero de fotones. Al incidir la onda de la luz sobre la superficie metalica, toda la energia del foton se transmite a lso electrones del metal.
Si W (trabajo de extaccion) es la energia necesaria para extaer el electron de la superficie metalica, este escaparia con una energia cinetica:
[math]\displaystyle{ E_c = E_f - W }[/math], donde [math]\displaystyle{ E_c=hf+W }[/math], [math]\displaystyle{ E_f= E_c + W }[/math] y [math]\displaystyle{ hf=\frac {1}{2} mv^2 + W }[/math].
De forma que se observa:
- La energia cinetica maxima depende solo de la frecuencia de la radiacion incidente, pero no de su intensidad.
- El numero de electrones emitidos si depende de la cantidad de fotones incidentes, es decir, dfe la intensidad.
- La emision de electrones es instantanea, como la transferencia de energia del foton al electron.
- Si la energia fotovoltaica es menor que el trabajo de extraccion, entonces el electron no podrá escapar, y por tanto no se producirá el efecto fotoelectrico.
Por tanto, Einstein estableció que para que se produjera esto, era necesario superar un umbral de frecuencia de la radiacion, sea cual sea su intensidad.
[math]\displaystyle{ W= hf_o }[/math] donde la frecuencia umbral, [math]\displaystyle{ f_0 = \frac {W_e}{h} }[/math]
Como [math]\displaystyle{ E_c = E_f - W_e }[/math], aplicando [math]\displaystyle{ E_c =hf }[/math] y [math]\displaystyle{ W_e = h f_0 }[/math] deducimos que [math]\displaystyle{ E_c = hf - hf_0= h(f-f_0) }[/math]
Como [math]\displaystyle{ e = \lambda f = \frac {\lambda}{T} }[/math], considerando que [math]\displaystyle{ W_e = h f_0 }[/math], deducimos que la longitud de onda umbral [math]\displaystyle{ \lambda = \frac {c}{f_0} }[/math]
La frecuencia umbral es distinta para cada material metalico, y depende tambien del erstado de la superficie metalica.
El potencial de frenado representa la diferencia de potencial necesaria para evitar el efecto fotoelectrico, es decir, es la energia necesaria para frenar a los electrones.
[math]\displaystyle{ V_0= \frac{E_c}{e^-} \Rightarrow E_c = e^- V_0 }[/math], donde [math]\displaystyle{ e^- = 1.6 \cdot 10^{-23} }[/math] C
Aplicaciones del efecto fotoelectrico
El efecto fotoelectrico se utiliza en numerosos campos de la ciencia y la tecnologia, como en procesos de control de productos, televisores de tubo o amplificadores de imagen.
Entre los mas conocidos se encuentran las celulas fotoelectricas, usadas para la deteccion de presencia, asi como los paneles de energia solar, donde se convierte la energia solar en energia electrica mediante dispositivos fotovoltaicos.
