Se le llama efecto fotoeléctrico al fenómeno de extracción de los electrones de un metal al incidir la luz sobre él.
La teoría de Planck de la radiación estudia la distribución de la energía en el espectro de la radiación térmica del cuerpo negro. Esto no solo sirvió como punto de partida para explicar el fenómeno de la radiación térmica, sino que también contribuyo a darle solución a varios problemas en los cuales la física cuántica falla. Uno de esos problemas fue el efecto fotoeléctrico.
Curiosamente el primer paso que condujo al descubrimiento del efecto fotoeléctrico y, por lo tanto, a la revisión de la teoría electromagnética de la luz, fue una observación accidental del científico alemán Heinrich Hertz. El mismo durante sus trabajos de investigación, realizó la confirmación experimental de la teoría electromagnética de Maxwell. Hertz observo en 1887 que entre dos esferas sometidas a una diferencia de potencial saltaba con más facilidad una chispa eléctrica si eran iluminadas con rayos ultravioletas.
Con posterioridad se realizaron experimentos que esclarecieron la esencia de este fenómeno. Es decir, se comprobó que las cargas negativas emitidas a la superficie del metal cuando la luz ultravioleta incidía sobre ellos, eran electrones, y se les llamo fotoelectrones.
Factores que influyen en el Efecto Fotoeléctrico
¿Cómo explicar que la velocidad con que son separados del metal los fotoelectrones, depende de la frecuencia de la radiación incidente y no de la iluminación energética?
¿Qué explicación tiene la existencia de la frecuencia umbral, y la extracción sin retraso de los fotoelectrones, aunque la iluminación energética sea muy pequeña?
La respuesta a las anteriores interrogantes se obtuvo cuando en 1905 el físico alemán Albert Einstein retomó las ideas de Planck. Desde entonces considero que la energía luminosa no solo se emitía en forma discreta, sino que también se trasmitía en forma de cuantos de energía. Es decir, que la energía luminosa se transmitía concentrada o localizada en pequeñas regiones, como en bolsas o paquetes de energía, distribuidas en todo el frente de onda. A estos paquetes de energía o cuantos luminosos se les llamó fotones.
Explicación del Efecto Fotoeléctrico mediante la Teoría de Einstein
De acuerdo con la teoría cuántica de la luz, al incidir un fotón en una sustancia solo interactúa con un electrón entregándole toda su energía. Una parte de ella es utilizada por el electrón en la realización de trabajo necesario para salir del metal, y la otra parte le comunica cierta energía cinética.
La menor energía necesaria para sacar a los electrones del metal recibe el nombre de trabajo de extracción W 0. Aplicando la ley de conservación de la energía podemos calcular la energía cinética máxima de los fotoelectrones a través de la siguiente ecuación:
Donde m es la masa de los electrones, v max es su velocidad máxima. Por otro lado v es la frecuencia de la radiación incidente y h es la constante de Planck.
La ecuación anteriormente presentada, permite explicar por qué la energía cinética máxima depende de la frecuencia y no de la iluminación energética. También explica el porqué de la dependencia lineal entre la energía cinética máxima y la frecuencia, pues W0 y h son constantes
Mediante la aplicación de la teoría de Einstein se puede explicar la existencia de la frecuencia umbral. Si la frecuencia del fotón de luz incidente es tal que su energía es menor que la salida de trabajo, no se produce el efecto fotoeléctrico. Esto ocurre ya que los electrones no reciben la energía suficiente como para salir del metal.
La dependencia de la frecuencia umbral con el material se debe a que el trabajo de extracción depende de la estructura interna de la sustancia.
Leyes Empíricas del Efecto Fotoeléctrico
Podemos encontrar cinco leyes empíricas del efecto fotoeléctrico. Estas son las principales encargadas de regular este fenómeno a través de diferentes estudios e investigaciones realizadas.
Primera Ley
La primera ley empírica del efecto fotoeléctrico plantea que, al aumentar la iluminación energética, aumenta el número de fotoelectrones emitidos por el metal en la unidad de tiempo.
Podemos comprobar lo anterior a partir del siguiente ejemplo. Primero hacemos incidir luz macromatica sobre el cátodo de un dispositivo. A continuación medimos con un voltímetro la tensión entre los dos electrodos. Después, y haciendo uso de un galvanómetro, medimos la corriente que en este caso recibe el nombre de corriente fotoeléctrica o fotocorriente. Finalmente construimos la característica voltamperica para diferentes iluminaciones energéticas.
De esta característica voltamperica se puede observar que, al aumentar la tensión para una misma iluminación energética, aumenta la intensidad de la fotocorriente hasta alcanzar la saturación. También vemos que, para una misma tensión, la intensidad de la fotocorriente y, por tanto, el número de electrones desprendidos en la unidad de su tiempo, aumenta cuando el metal se ilumina con una luz más intensa. Todo esto explica lo planteado en la primera ley empírica del efecto fotoeléctrico.
La iluminación energética es una magnitud física que mide la energía de la radiación que incide sobre la unidad de área, en la unidad de tiempo.
Segunda Ley
La segunda ley empírica del efecto fotoeléctrico plantea que la energía cinética máxima de los fotoelectrones no depende de la iluminación energética. Con lo anterior se puede llegar a la conclusión de que cualquiera que sea la iluminación energética de la luz monocromática utilizada, la fotocorriente se anula para la misma tensión, llamada tensión de corte. Es decir, que para la luz monocromática es necesario realizar el mismo trabajo que para detener los fotoelectrones, independientemente del valor de la iluminación energética.
Tercera Ley
La tercera ley empírica del efecto fotoeléctrico plantea que la energía cinética máxima es directamente proporcional a la frecuencia de radiación incidente. En este caso podemos concluir que existe una frecuencia, para la cual la energía cinética máxima de los fotoelectrones se hace cero. También que cuando una frecuencia es menor que cero no se produce el efecto fotoeléctrico, independientemente la cantidad de iluminación energética que reciba. Esta frecuencia se puede nombrar como frecuencia umbral, frecuencia de corte o limite rojo del efecto fotoeléctrico.
Cuarta Ley
Realizando otros estudios se ha observado que al cambiarle el metal al cátodo del dispositivo se obtiene una familia de curvas diferente para cada metal. Esto se debe a la cuarta ley empírica del efecto fotoeléctrico que plantea que la frecuencia umbral es característica de cada metal.
Quinta Ley
Experimentalmente se ha comprobado que cuando la luz incidente tiene una frecuencia igual o mayor que la frecuencia umbral, por muy pequeña que sea la iluminación energética, los electrones son arrancados sin retraso sensible. Lo anterior nos permite aplicar la quinta ley empírica del efecto fotoeléctrico. Esta establece que el efecto fotoeléctrico se produce casi instantáneamente después de ser iluminada la superficie del cuerpo.
Aplicaciones del Efecto Fotoeléctrico
El descubrimiento del efecto fotoeléctrico tuvo un gran significado para la profundización del conocimiento de la naturaleza de la luz. Pero el valor de un descubrimiento no está solo en que contribuya a desentrañar los misterios del mundo que nos rodea o que ayude a la confirmación de una teoría. Además, debe servir como medio para facilitar la modernización de la producción. También debe mejorar las condiciones materiales y culturales de la vida de la humanidad.
Con la ayuda del efecto fotoeléctrico el cine se hizo sonoro desde hace aproximadamente medio siglo. Fue todo un éxito cuando los espectadores del cine pudieron simultáneamente visualizar la proyección del filme y escuchar sus sonidos.
La utilización de los equipos foto electrónicos permitió la creación de máquinas y herramientas con un diseño dado, sin la participación del hombre.
Son fundamentales también los equipos que controlan las dimensiones de las piezas con más rigurosidad que cualquier hombre. También el efecto fotoeléctrico es utilizado para la conexión automática de los faros y del alumbrado público. Todo esto es posible gracias a la fabricación de equipos modernos. En estos la energía de la luz controla la energía de la corriente eléctrica o se transforma en ella.
