Efecto Fotoeléctrico Definición, principios, y elementos

Mahiceth Quintero Valero
Doctora en Química Aplicada

El efecto fotoeléctrico es un fenómeno que ocurre al hacer chocar la luz con la superficie de ciertos metales y por lo tanto emite electrones, donde la cantidad de estos depende de la intensidad de la radiación incidida.

El electrón

El efecto fotoeléctrico está basado en la emisión de electrones, los cuales forman parte de la estructura atómica y comenzaron a estudiarse a partir de la década de 1890, cuando una gran parte de los investigadores estaban enfocados en el estudio de la radiación, emisión y transmisión de la energía en el espacio en forma de ondas, para estudiar estos fenómenos los investigadores utilizaron un tubo de rayos catódico, el cual fue elaborado por primera vez por el físico británico Michael Faraday, quien hizo pasar una corriente eléctrica a través de tubos de vidrio expuestos al vacío; Faraday descubrió que si se conectaban a una fuente de voltaje dos placas metálicas una cargada negativamente (cátodo) y otra cargada positivamente (ánodo) entonces el cátodo emite un rayo invisible que va directo hacia el otro extremo del tubo, donde se encuentra la placa cargada positivamente, estos rayos catódicos poseen propiedades que dependen del material del cátodo y al alcanzar el extremo del tubo se produce una fluorescencia o luz brillante.

Otra de las observaciones importantes sobre el comportamiento de los rayos catódicos, es que estos al ser sometidos a un campo eléctrico y magnético pueden ser desviados. En función a estos comportamientos los investigadores concluyeron que los rayos catódicos se basaban partículas con cargas negativas, eran atraídos por la placa cargada positivamente y repelida por la placa cargada negativamente, hoy estas partículas con cargas negativas (rayos catódicos) se conocen como electrones y fueron llamados así por primera por el físico angloirlandés George Johnstone Stoney.

Entre 1856 y 1953 el físico estadounidense Robert Andrews Millikan, estableció la carga electrónica (e), mediante el experimento de la gota de aceite, que consistió en analizar el movimiento de la gota de aceite que adquiere carga estática a través de los iones de aire. Al aplicar los conceptos de electrostática el científico Millikan, halló que la carga de un electrón equivale a -1,6022*10-19 y a partir de esto calculó la masa de un electrón.

Radiación electromagnética

La comprensión de la radiación electromagnética es importante, para comprender la estructura electrónica de los átomos. La radiación electromagnética es una manera de transmisión y emisión de energía, donde los campos eléctricos y magnéticos se difunden como ondas electromagnéticas a través del espacio vacío, una onda viene dada por una perturbación que transmite energía a través de un medio y viaja alrededor de 3*108 metros por segundo. La onda está constituida por una cresta y un valle, la distancia entre los máximos de dos crestas y los mínimos de dos valles se denominan longitud de onda y se representa con la letra lambda λ, por otra parte el número de crestas o valles que pasan por un punto dado se denomina frecuencia y se designa con la letra griega v, el producto de estas, es decir de la longitud de onda y de la frecuencia, da como resultado el desplazamiento del frente de onda o velocidad de la onda.

Por otro lado, el comportamiento de la radiación electromagnética es explicada por el matemático escocés James Clerk Maxwell, quien propuso que la radiación electromagnética se produce mediante la aceleración de una partícula cargada eléctricamente y que además cambia de velocidad. Por ejemplo, las ondas de radio y la luz visible son un tipo de radiación electromagnética, donde las partículas cargadas que se aceleran son electrones.

Cuando los sólidos se someten a calentamientos, estos emiten luz de diferentes colores (radiación electromagnética), la cantidad de energía radiante que emite un objeto al someterse a una temperatura dado es explicada por el físico alemán Max Planck, quien propuso que tanto los átomos como las moléculas tienen capacidad de emitir o absorber la energía en cantidades discretas. A la mínima energía que se podía emitir en forma de radiación electromagnética la llamó cuánto y esto se resume en lo que se conoce como la ecuación de Planck E=hv donde, h es la constante de Planck que equivale a 6,62607*10-34 J.s y v es la frecuencia del oscilador.

Principios del efecto fotoeléctrico

El efecto fotoeléctrico fue descubierto en 1888 por el físico alemán Heinrich Hertz, quien propuso que la luz choca con una superficie metálica y emite electrones, comportándose de la siguiente manera, la emisión de electrones ocurre solo cuando la frecuencia de la luz incidente excede un valor umbral establecido y por lo tanto el número de electrones emitidos depende de la radiación incidente y la energía cinética de estos electrones depende de la frecuencia de la luz.

Sin embargo, algunos de estos comportamientos en especial lo relacionado con la frecuencia no se pudo explicar para el momento utilizando los conocimientos de la física clásica, pero para 1905 Albert Einstein utilizó la teoría cuántica propuesta por Planck mencionada anteriormente, para demostrar algunos comportamientos del efecto fotoeléctrico. El consideró que un rayo de luz es en realidad un rayo de partículas conocido como fotones y que además posee una energía de acuerdo a la definición de Planck E=hv, donde v corresponde a la frecuencia de la luz.

Albert Einstein consideró que gracias a las fuerzas de atracción los electrones se podían mantener unidos en el metal pero, para poder emitirlas se necesita una energía suficientemente alta, por lo tanto, los rayos que inciden la superficie metálica pueden ser comparados con la descarga de fotones sobre los átomos del metal, si la frecuencia de estos fotones es de una magnitud donde hv es igual a la energía de enlace de los electrones en la superficie del metal entonces, la luz poseerá la energía suficiente para emitirlos; sin embargo, si la luz posee una mayor frecuencia entonces los electrones serán emitidos con una determinada energía cinética, y se expresa matemáticamente de la siguiente manera:

hv = KE + BE

donde KE corresponde a la energía cinética del electrón emitido y BE a la energía de unión del electrón en el metal. Cuando los rayos de luz poseen la misma frecuencia, pero diferentes intensidades, entonces el rayo de luz más interno posee mayor número de fotones y, por lo tanto, emite más electrones de la superficie del metal que el rayo de luz con mayor debilidad; entonces entre más intensa sea la luz mayor será el número de electrones emitidos por el metal y a mayor frecuencia de luz mayor deberá ser la energía cinética de los electrones emitidos.

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Autora

Escrito por Mahiceth Quintero Valero para la Edición #111 de Definición MX , en 05/2022. Mahiceth es Doctora en Química Aplicada

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