Introducción
Heinrich Hertz, entre 1886 y 1887, realiza las experiencias que confirman
la existencia de las ondas electromagnéticas y, por tanto, la "bondad"
de la Teoría de Maxwell. En esos experimentos observa, además,
que la descarga eléctrica entre dos electrodos se produce
más fácilmente si sobre uno de ellos se hace incidir luz
ultravioleta.
Lenard, en 1900, demuestra que el fenómeno observado por Hertz
es debido a que la radiación ultravioleta arranca electrones de
la superficie metálica del cátodo. A esta emisión
de electrones se le conoce como Efecto Fotoeléctrico, y a los electrones
arrancados como Fotoelectrones. ¿Cómo?
Dispositivo Experimental
Se dispone del aparato de la figura 1. Luz, proveniente de una fuente de
intensidad regulable,
atraviesa una ventana de cuarzo e incide sobre el electrodo, A, de
donde son arrancados los
electrones. Se aplica una diferencia de potencial, V, entre los electrodos,
y se mide la intensidad de corriente eléctrica que circula por el
circuito. La intensidad eléctrica es una medida del número
de fotoelectrones que han sido arrancados de A y han podido llegar a B.
Experiencia 1
a.Se selecciona una intensidad lumínica determinada
y se hace un barrido de tensiones de
polarización anotando para cada valor
de V, la intensidad eléctrica.
b.Se repite la experiencia con una intensidad lumínica
el doble de la anterior.
Se representa gráficamente la intensidad eléctrica medida
en función de la tensión de polarización.
Resultados 1
Obtenemos los resultados de la figura 2
Conclusiones 1
El signo del voltaje aplicado es el relativo entre el electrodo A, emisor
de fotoelectrones, y el B, receptor.
1.Al aumentar la tensión observamos que la corriente
aumenta primero y llega a saturarse. Esto
último ocurre cuando todos los fotoelectrones
emitidos llegan al receptor.
2.Se observa que la corriente de saturación, por
tanto el número de fotoelectrones emitidos, es proporcional a la
intensidad lumínica.
3.Se observa que para tensiones negativas existen electrones
capaces de vencer el frenado del potencial y llegar al receptor. Por tanto
los electrones son emitidos con una energía cinética máxima
que hace que,
4.Podemos constatar que V0, y por tanto la energía
cinética máxima de los electrones emitidos, es independiente
de la intensidad luminosa.
Experiencia 2
Realizada por Millikan en 1914. Comentario
Determina el potencial de frenado para distintas frecuencias, n, de
la fuente luminosa, en el caso de un electrodo de Sodio (Na).
Resultados 2
Obtiene los resultados representados en la figura 3.
Figura 3
Conclusiones 2
Observa que existe una frecuencia, n0 ,por debajo de la cual no se produce
el efecto fotoeléctrico.
Interpretación clásica de los Resultados
En el marco de la teoría ondulatoria de la luz podríamos
explicar la existencia del efecto
fotoeléctrico considerando que las ondas electromagnéticas
portan energía y ésta puede utilizarse para liberar electrones
de las superficies metálicas. Basta que la onda aporte una energía
superior a la de ligadura del electrón para que éste quede
libre.
En la teoría de Maxwell, la cantidad de energía transportada
por la onda es proporcional al
cuadrado de la amplitud de la oscilación, y por tanto a la intensidad
de la onda. A continuación se plantean tres problemas, presentes
a la hora de interpretar los resultados de las experiencias desde el punto
de vista clásico.
1.-Un aumento de intensidad de la onda implica un aumento
de la energía acarreada. Por tanto debería
de dar lugar a un incremento de la energía de los fotoelectrones
arrancados del
electrodo.
Esta predicción es incompatible con la observada independencia
de V0 - es decir, de la energía cinética máxima de
los fotoelectrones - con la intensidad luminosa.
2.-La energía de la onda es independiente de la
frecuencia de la misma, por tanto el efecto
fotoeléctrico debería darse para cualquier frecuencia,
siempre y cuando la intensidad
luminosa fuese suficientemente elevada.
No existe acuerdo entre esta afirmación y los resultados de Millikan.
3.-La energía de una onda electromagnética
está uniformemente distribuida a lo largo de la
superficie "iluminada" por el haz de luz utilizado en las experiencias
descritas. Por otro lado, la superficie efectiva donde se pueden
encontrar los electrones será, aproximadamente, un círculo
de radio igual al radio atómico. Por tanto, la energía disponible
para arrancar un electrón será la que le corresponda a esa
"superficie efectiva". Así, cada electrón deberá
acumular la energía necesaria para liberarse, ahora bien, si la
intensidad de luz es suficientemente pequeña,
este proceso llevará un cierto tiempo. Concluimos que para
intensidades de luz bajas, deberá existir un tiempo de retraso entre
que se ilumina el electrodo y la emisión
de los primeros fotoelectrones.
No se observa el esperado retraso. La emisión de fotoelectrones
es instantánea si la frecuencia de la luz es la adecuada para el
material del electrodo utilizado.
Modelo corpuscular de Einstein de la Radiación
Electromagnética
Planck, 1900. Radiación del Cuerpo Negro.
La energía de una onda electromagnética
solo puede ser un múltiplo entero de hn.
Pero no cuestiona su carácter ondulatorio.
Einstein, 1905.
Propone que la radiación EM está formada por paquetes - quanta
- con
energía h, localizados espacialmente,
y que se mueven en el vacío con
velocidad c. La intensidad de la "onda EM"
es, según Einstein, una medida
del número - o de la densidad - de
quanta, y dado que cada uno de ellos
tiene una energía fija, la intensidad
determina la energía total - o la densidad
espacial de energía - de la onda ya
que esta energía será igual al número de
quanta por la energía de cada quantum.
Los quanta de radiación electromagnética
reciben el nombre de fotones.
Maxwell
La energía de la radiación EM es proporcional a la intensidad
de
la onda e independiente de la frecuencia
Planck
La energía de la radiación EM es proporcional a la intensidad
de
la onda pero está limitada a múltiplos enteros de hn.
Einstein
La radiación EM está formada por "paquetes" - quanta - de
energía hn. La intensidad de la "onda" es una medida del número
de quanta, N, y por tanto la energía total será proporcional
a la
intensidad, Nhn.
Interpretación del efecto fotoeléctrico bajo la perspectiva
de Einstein
En el modelo de paquetes de energía, un electrón del metal
o bien "absorbe" un paquete energético o bien se queda como está.
Por tanto la energía final del electrón será,
De acuerdo con el modelo podemos concluir,
1.La energía cinética máxima de los
electrones es independiente de la intensidad de la fuente luminosa. Un
aumento de la intensidad de la fuente implica un aumento del número
de quanta incidiendo sobre los electrones, pero la energía
de cada uno de ellos es siempre la misma, por tanto la máxima
energía que adquieren los electrones no varía. Pleno
acuerdo con la experiencia de Lenard.
2.Para cada material - es decir para cada w0 - existe una
frecuencia, , por debajo de la cual no es posible el efecto fotoeléctrico.
Una vez más la independencia entre la energía máxima
transferible al electrón, la del quantum, y la intensidad de la
radiación, permite explicar los resultados de Millikan.
3.Si utilizamos una fuente de radiación electromagnética
de frecuencia adecuada, , el efecto fotoeléctrico se comenzará
a producir en el instante en que los fotones lleguen al metal, ya que la
energía está "concentrada" en el paquete y no distribuida
espacialmente omo suponíamos en el razonamiento clásico.
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