Efecto fotoeléctrico

Efecto fotoeléctrico
Consiste en la emisión de electrones por un
material cuando se le ilumina con radiación
electromagnética (luz visible o ultravioleta,
en general). A veces se incluyen en el
término otros tipos de interacción entre la
luz y la materia:
Efecto fotoeléctrico
Fotoconductividad: es el aumento de
la conductividad eléctrica de la
materia o en diodos provocada por la
luz. Descubierta por Willoughby
Smith en el selenio hacia la mitad del
siglo XIX.
Efecto fotovoltaico: transformación
parcial de la energía luminosa en energía eléctrica. La primera célula solar fue
fabricada por Charles Fritts en 1884. Estaba formada por selenio recubierto de una
fina capa de oro.
El efecto fotoeléctrico fue descubierto y descrito
por Heinrich Hertz en 1887, al observar que el arco que salta entre
dos electrodos conectados a alta tensión alcanza distancias
mayores cuando se ilumina con luz ultravioleta que cuando se deja
en la oscuridad. La explicación teórica fue hecha por Albert
Einstein, quien publicó en 1905 el revolucionario artículo
“Heurística de la generación y conversión de la luz”, basando su
formulación de la fotoelectricidad en una extensión del trabajo
sobre los cuantos de Max Planck. Más tarde Robert Andrews
Millikan pasó diez años experimentando para demostrar que la
teoría de Einstein no era correcta, para finalmente concluir que sí
lo era. Eso permitió que Einstein y Millikan fueran condecorados
con premios Nobel en 1921 y 1923, respectivamente.
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
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.
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.
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.
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.
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 matemática 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.