Efecto Fotoeléctrico

De acuerdo con el modelo del átomo de Bohr, es necesario proveer a los electrones de energía en forma de radiación electromagnética para que puedan llegar a órbitas de mayor energía. Sin embargo, si un electrón absorbe una onda de alta frecuencia (y por tanto también alta energía), a veces esta energía es suficiente para que el electrón abandone el átomo por completo. Este fenómeno, en el que los electrones son liberados de la capa electrónica, se denomina efecto fotoeléctrico. A los electrones liberados de esta forma se les llama fotoelectrones.

Imaginemos un experimento en el que se arroja luz sobre los electrones contenidos en un átomo, con lo que algunos de estos electrones son liberados de la capa electrónica y convertidos en fotoelectrones. La física clásica declara que la energía de los fotoelectrones debe ser dependiente de la intensidad de la luz, ya que se asume que cuan mayor sea la intensidad de la radiación (Cuan más brillante sea la luz), mayor será la energía de la onda electromagnética que será absorbida por los electrones. Sin embargo, esta dependencia no ha sido observada. Fue demostrado de forma experimental que la energía de los electrones emitidos depende únicamente de la frecuencia de la radiación. Además, la existencia de la denominada frecuencia límite ha sido observada. Si se provee un átomo con luz que tiene una frecuencia menor que la frecuencia límite, no se liberan electrones, sin importar la intensidad de la radiación. La física clásica no es capaz de explicar este fenómeno.

El experimento de Young presenta una evidencia de que la luz es una onda. Aun así, a fin de explicar el efecto fotoeléctrico, necesitamos entender la luz como un conjunto de partículas. Los electrones no absorben las ondas electromagnéticas como se dice en la mecánica clásica. Absorben las partículas de luz, llamadas fotones. Los fotones son idénticos a los cuantos de energía que Planck propuso para resolver el problema de la radiación de cuerpo negro. Einstein, sin embargo, fue el primero en darse cuenta de la naturaleza de partícula de esos cuantos, y fue el que aclaró el efecto fotoeléctrico.

Si percibimos la luz como un chorro de partículas, el efecto fotoeléctrico puede ser explicado fácilmente. El incremento de la intensidad en la radiación aumenta el número de fotones (cuantos) en una onda electromagnética, pero los fotones siguen trasportando la misma cantidad de energía individualmente. Es decir, si uno usa luz más intensa, la energía de los fotoelectrones se mantiene inalterada, ya que los electrones pueden absorber un solo fotón, de acuerdo a la tercera ley de Bohr. Sin embargo, al aumentar la intensidad de la luz, el número de electrones emitidos (fotoelectrones) se incrementa al haber ahora más fotones en las ondas electromagnéticas para ser absorbidos.

Si buscamos aumentar la energía de los fotoelectrones, deberíamos aumentar la energía de los fotones individualmente. Podríamos conseguirlo aumentando la frecuencia de la radiación, lo cual es obvio con la ecuación de Planck E = hf (E es la energía del fotón). La mecánica cuántica también es capaz de explicar la frecuencia límite. Fotones individuales de radiación de baja frecuencia simplemente no tienen suficiente energía para liberar a un electrón. Por tanto, el efecto fotoeléctrico no puede ocurrir.

Albert Einstein también dedujo la ecuación para calcular el momentum de un fotón (λ es la longitud de onda de la onda electromagnética donde está localizado el fotón):

P = h/λ

Cuando un electrón absorbe un fotón, obtiene toda su energía. Una parte de esta energía es usada para liberar al electrón del átomo (el electrón debe cumplir el trabajo “W”), el resto de la energía es convertida en energía cinética del electrón. La energía de un fotoelectrón puede calcularse utilizando la siguiente ecuación:

E = W+1/2 mv^2

Esta imagen muestra la energía de un fotoelectrón en relación con la frecuencia
de la luz que absorbe. El punto morado muestra le frecuencia umbral.

 

Mientras que el experimento de Young demuestra de forma convincente la naturaleza de onda de la luz, el efecto fotoeléctrico ve la luz como un chorro de partículas. Por tanto, la radiación electromagnética tiene una naturaleza dual. Es tanto una onda como una partícula.