El efecto fotoeléctrico – Fragmento

El libro Experimentos «clásicos» en física moderna, edición en español es la versión «traducida, extendida y vigorizada» (y por qué no decirlo: corregida) de mi libro originalmente escrito en lengua italiana por encargo del departamento de física de la Università degli Studi dell’Insubria (una universidad del norte de Italia), para complementar un proyecto didáctico llamado «Lauree Scientifiche–Fisica».

Este proyecto consistía en reproducir en escuelas secundarias experimentos importantes en el desarrollo de la física a fines del siglo XIX y principios del XX, experimentos que fueron la base de nuestra actual comprensión de la naturaleza. El desafío de este texto ha sido por lo tanto el escribirlo para alguien sin una gran formación matemática, haciendo énfasis en los conceptos y no en las «demostraciones».

A continuación, un fragmento del capítulo dedicado al efecto fotoeléctrico.


El efecto fotoeléctrico consiste en la emisión de electrones de una superficie, generalmente metálica, cuando ésta es golpeada por la radiación electromagnética, como por ejemplo la luz visible o la radiación ultravioleta.

La explicación de este efecto, objeto de estudio de muchos físicos, ha resultado fundamental para comprender la naturaleza cuántica de la luz.

El problema no estaba en que el efecto existiera o no (un campo electromagnético ciertamente puede mover cargas eléctricas), sino en el hecho de que sus características no correspondían a las previstas por el electromagnetismo clásico.

El electromagnetismo clásico predice que, al aumentar la intensidad de la luz aumenta el campo electromagnético y la fuerza que éste ejerce sobre las cargas, y por lo tanto la energía cinética de los electrones emitidos. En cambio, experimentalmente se observaba que aumentaba solo el número de los electrones, los cuales tenían una energía cinética máxima independiente de la intensidad de la luz y que dependía solamente de su frecuencia.

Otro problema era el tiempo de emisión de los electrones: realizando los cálculos con el electromagnetismo clásico, los tiempos que serían necesarios para la extracción resultarían del orden de los minutos, mientras que los experimentos demostraban que el efecto era casi instantáneo.

Por si fuera poco, existe una frecuencia de la luz mínima, que depende del material utilizado, debajo de la cual no se tiene extracción de electrones.

El electromagnetismo clásico no era capaz de dar una explicación a estas observaciones.

Einstein y los «cuantos»

Generalizando las ideas de Planck sobre la radiación de cuerpo negro, Einstein propuso que no solo la emisión de radiación por parte de los cuerpos está cuantizada, sino que el campo electromagnético en si mismo estaba compuesto de «cuántos de luz».1

La hipótesis de Einstein es que el campo electromagnético está formado de partículas de energía E = , llamadas fotones.

Veamos ahora cómo esto explica los experimentos.

En general, para extraer un electrón de un material es necesario realizar un cierto trabajo, generalmente indicado con el nombre «función trabajo» y con el símbolo ϕ. Esta función trabajo dependerá (además del material utilizado) de dónde se encuentra el electrón dentro del material, con un valor mínimo (ϕmín) para los electrones sobre la superficie. Esto explica la existencia de una energía cinética máxima, E_c ^{max} como función de la frecuencia: la energía máxima con la cual puede salir un electrón será la energía del fotón menos la función trabajo mínima.

 E_c ^{max} = h \nu - \phi ^{min}

(19)

Claramente, esta expresión dependerá solamente de la frecuencia de la luz. Una mayor intensidad producirá un número mayor de fotones y por lo tanto un número mayor de electrones emitidos, pero no podrá cambiar la energía máxima que cada electrón individual puede alcanzar.

Es de notar también que esta expresión explica además la existencia de una frecuencia mínima para el efecto fotoeléctrico: dado que la energía cinética debe necesariamente ser positiva, se tiene que:

 \displaystyle \nu \geq \frac{\phi ^{min}}{h}

(20)

Además, dado que la energía de la luz está dividida en paquetes, la interacción entre el electrón y el fotón debe ser rápida: o este último tiene la energía para extraer el electrón o no, y si tiene la energía justa la entrega «en un único golpe».

Quedaba una última verificación experimental. La expresión 19 indica que la energía cinética máxima de los electrones es una función lineal de la frecuencia de la luz incidente. En 1916 Millikan (el mismo Millikan del experimento de la gota de aceite con el cual por primera vez se obtuvo el valor de la carga del electrón) realiza la verificación experimental, obteniendo además el primer valor preciso para la constante h.

Sus trabajos sobre el efecto fotoeléctrico le valieron a Einstein el premio Nobel de física en 1921.


1Annalen der Physik 17: 132–148

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