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Este efecto, se
trata de otro fenómeno que, al igual que la radiación de cuerpo negro, también
involucra la interacción entre la radiación y la materia. Pero esta vez
se trata de absorción de radiación de metales
Heinrich Hertz (1857-1894), científico alemán,
fue el primero en observar el efecto fotoeléctrico, en 1887, mientras trabajaba
en la generación de ondas de radio. Informó esta observación pero no se dedicó a
explicarla
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Al
incidir luz ultravioleta sobre el cátodo metálico (fotocátodo) se detecta
el paso de una corriente eléctrica. Se trata de electrones que abandonan
el cátodo (colector) y se dirigen al ánodo a través del vacío dentro del
tubo. Los electrodos se hallan conectados a una diferencia de potencial
de sólo unos pocos voltios.
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La teoría electromagnética clásica considera que la
radiación de mayor intensidad (o brillo, si es visible), que corresponde a
ondas de mayor amplitud, transporta mayor energía. Esta energía se halla
distribuida uniformemente a lo largo del frente de onda. La intensidad es
igual a la energía que incide, cada unidad de tiempo, en una unidad de
superficie. |
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Con
radiación ultravioleta de diferentes intensidades, los electrones salen
del metal con la misma velocidad. La radiación más intensa arranca mayor
número de electrones. Esta observación también resultaba inexplicable.
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Con luz
ultravioleta, aun de baja intensidad, los electrones son arrancados
prácticamente en forma instantánea, aunque la Física clásica predecía un
tiempo de retardo hasta que los átomos absorbieran la energía necesaria
para expulsar el electrón. Con luz visible este fenómeno no se observa,
aunque se aumente la intensidad de la luz y se ilumine durante mucho
tiempo, como para que el átomo absorba bastante energía. Esta observación
resultaba inexplicable.
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EXPLICACION
FISICA DEL FENOMENO
Planck había llegado a la conclusión de que el traspaso de energía entre la
materia y la radiación en el cuerpo negro ocurría a través de paquetes de
energía. Sin embargo, no quiso admitir que la energía radiante una vez
desprendida de la materia también viajaba en forma corpuscular. Es decir que
siguió considerando a la radiación que se propaga como una onda clásica.
En
1905, Albert Einstein fue un paso más allá al explicar completamente las
características del efecto fotoeléctrico. Para ello retomó la idea del cuanto de
energía de Planck, postulando que:
La
radiación electromagnética está compuesta por paquetes de energía o fotones.
Cada fotón transporta una energía
E= v . h , donde v es la frecuencia de la
radiación y h es la constante de Planck.
Cuando un fotón incide sobre el metal, transfiere toda su energía a alguno de
los electrones. Si esta energía es
suficiente para romper la ligadura del
electrón con el metal, entonces el electrón se desprende. Si el fotón transporta
más energía de la necesaria, este exceso se transforma en energía cinética del
electrón:
Expresado en fórmula matematica es: Ecinética
= h . v - Eextracción
donde
Eextracción
es la energía necesaria para vencer la unión con el metal.
Esta
teoría explica perfectamente los hechos observados:
1. Si
la frecuencia de la radiación es baja (como en la luz visible), los fotones no
acarrean la suficiente energía como para arrancar electrones, aunque se aumente
la intensidad de la luz o el tiempo durante el cual incide.
Para
cada tipo de material existe una frecuencia mínima por debajo de la cual no se
produce el efecto fotoeléctrico.
2. Si
la frecuencia de la radiación es suficiente para que se produzca el efecto
fotoeléctrico, un crecimiento de la intensidad hace que sea mayor el número de
electrones arrancados (por ende será mayor la corriente), pero no afecta la
velocidad de los electrones.
Aumentar la intensidad de la luz equivale a incrementar el número de fotones,
pero sin aumentar la energía que transporta cada uno.
3.
Según la teoría clásica, habría un tiempo de retardo entre la llegada de la
radiación y la emisión del primer electrón. Ya que la energía se distribuye
uniformemente sobre el frente de la onda incidente, ésta tardaría al menos
algunos cientos de segundos en transferir la energía necesaria. La teoría de
Einstein, en cambio, predice que:
Una
radiación de frecuencia adecuada, aunque de intensidad sumamente baja, produce
emisión de electrones en forma instantánea.
Pasaron diez años de experimentación hasta que la nueva teoría fue corroborada y
aceptada. Se determinó el valor de h a partir de experiencias de efecto
fotoeléctrico y se encontró que concordaba perfectamente con el valor hallado
por Planck a partir del espectro de radiación de cuerpo negro.
Desde
ese momento los físicos aceptaron que, si bien la luz se propaga como si fuera
una onda, al interactuar con la materia (en los procesos de absorción y emisión)
se comporta como un haz de partículas. Esta sorprendente conducta es lo que se
ha llamado la naturaleza dual de la luz. Esto muestra que las ideas surgidas del
mundo macroscópico no son aplicables al inimaginable mundo de lo diminuto.
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