EFECTO FOTOELÉCTRICO

UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR
FACULTAD DE CIENCIAS QUÍMICAS
QUÍMICA FARMACÉUTICA-QUÍMICA DE ALIMENTOS
ALEJANDRO AGUIRRE*; FERNANDA QUIROGA
  • Teoría de Maxwell

     James Clerk Maxwell fue un físico escocés nacido en 1831 que desarrolló la teoría electromagnética a través de experimentos y observaciones sobre la electricidad, magnetismo y la luz. Propuso que estos tres elementos son parte de un mismo “campo electromagnético” y que la causa de todo magnetismo era un movimiento de carga eléctrica, y estas cargas a su vez si circulan en el mismo sentido, se atraen, si circulan en sentido contrario, se repelen. Estas ondas electromagnéticas viajaban a la misma velocidad de la luz, con lo que se comprobó que la luz era una onda electromagnética. Este físico logró resumir todo a teoría de la electricidad y magnetismo en 4 ecuaciones basadas en las  leyes de Coulomb, Ampère, Faraday, Gauss, entre otros.

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Dichas ecuaciones se resumen a continuación:

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  • La primera, ley de Gauss de la electricidad, relaciona el campo eléctrico con las cargas eléctricas.
  • La segunda, ley de Gauss del magnetismo, relacionada con el campo magnético, permite llegar a la conclusión de que no existen polos magnéticos aislados.
  • La tercera, ley de Ampere, plantea que a un campo magnético fluctuante le es inherente un campo eléctrico.
  • La cuarta, ley de Faraday, plantea que a un campo eléctrico fluctuante (o a una corriente eléctrica) le es inherente un campo magnético.
  1. Años después el físico alemán Heinrich Hertz después de comprobar las leyes de Maxwell, durante sus experimentos observó una chispa eléctrica podía saltar más fácilmente entre dos esferas cargadas cuando sus superficies eran iluminadas por la luz, así descubrió el efecto fotoeléctrico en 1887.

El efecto fotoeléctrico es la emisión de electrones de un metal cuando se hace incidir sobre él una radiación electromagnética.

“Debido a que los metales contienen electrones libres, se determinó que los electrones pueden extraerse de los metales utilizando los diferentes  mecanismos”. (Martínez, 2007)

  1. Emisión termoiónica (efecto Edison). Los son emitidos al calentar la superficie del metal.
  2. Emisión secundaria. Partículas energéticas incidentes sobre algunos materiales, liberan algunos electrones aun a otros electrones de la superficie
  3. Emisión de campo. Un campo eléctrico intenso extrae electrones de la superficie de un metal
  4. Efecto fotoeléctrico. Luz incidente sobre un metal que expulsa electrones

Cuando los fotones caen sobre una superficie metálica puede pasar:

  1. Los fotones son reflejados
  2. Los fotones desaparecen cediendo toda su energía para sacar los electrones

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Paquetes de Quantos de Energía

La energía de la luz no se distribuye de forma uniforme sobre el frente de onda clásico, sino que se concentra en regiones discretas denominados cuantos, cada uno con una energía específica hf y la energía de este se transfiere  totalmente a un electrón en el metal donde incide el haz de luz. La energía cinética máxima de los fotoelectrones (electrón emitido del metal) liberados no depende de la intensidad de la luz incidente. La intensidad de un haz de luz depende de la cantidad de fotones presentes, mientras que la energía de cada uno de esos fotones tiene relación con la frecuencia. Como se demuestra en la figura 2 el efecto foto eléctrico.

“El efecto fotoeléctrico no pudo ser explicado solamente con la teoría electromagnética de Maxwell, ya que se basaba en la suposición de que la energía radiaba en forma continua”. (Tippens, 2001)

Por lo que surge la hipótesis cuántica del físico alemán Max Planck en donde postuló que la energía electromagnética se absorbía o emitía en paquetes discretos o cuantos y donde su cantidad de energía era proporcional a la frecuencia de la radiación

E=hv

E= Energía del fotón

h= constante de Planck (6,625×10-34 J.s)

v= frecuencia del fotón

Einstein modifica esta teoría, ya que Planck la aplico sobre la base de la teoría ondulatoria. Así Einstein la aplico en su teoría del fotón:

hv=ϕ+Kmax

hv = energía del fotón absorbida por un solo electrón

ϕ = función de trabajo de la superficie emisora usada para hacer que el electrón escape de la superficie metálica.

hv-ϕ = exceso de energía cinética del electrón

Kmax = energía cinética máxima que el fotoelectrón puede tener fuera de la superficie.

Naturaleza dual de la  luz: corpuscular propuesta por Max Planck y ondulatoria de Maxwell

 Antecedentes sobre la naturaleza de la luz

La óptica, estudio de la luz, es una de las ramas más antiguas de la física y el intento de determinar cuál es su naturaleza ha dado lugar a grandes controversias. Para las civilizaciones antiguas, como la “escuela atomística”, hacia 450 a.C. postulaba que la visión se producía debido a la emisión de imágenes por parte de los objetos, y a través de los ojos llegaban a nuestra alma. La “escuela pitagórica”, unos años después, suponía al contrario, que la visión se producía por un fuego invisible que exploraba los objetos.

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Basándose en la teoría anterior, Euclides hacia el 300 a.C. introduce el concepto de rayo (emitido por el ojo), la propagación rectilínea de la luz y la ley de la reflexión.

A finales del siglo XVI y comienzos del XVII se producen grandes avances en óptica como consecuencia de las aportaciones de Kepler (1571-1630)y Galileo (1565-1642).

En 1621 Snell descubre experimentalmente la ley de la reflexión y Descartes en 1638 en su “Óptica” enuncia las leyes de la reflexión y de la refracción, pero sin tener en cuenta cual era la naturaleza de la luz. Así lo afirma (Universidad Politécnica de Madrid, 2010)

Teoría ondulatoria de Maxwell

 En 1864 el físico y matemático inglés James C. Maxwell publicó la teoría electromagnética de la luz, en ella predecía la existencia de ondas electromagnéticas que se propagaban con una velocidad de 3 x 108 m/s, obtenida a partir de las leyes de la electricidad y magnetismo y que coincidía con el valor de la velocidad propagación de la luz. Con esto se confirmaba teóricamente que la luz no es una onda mecánica sino una onda electromagnética que puede propagarse sin necesidad de un medio material.

La comprobación experimental de la existencia de ondas electromagnética fue efectuada en 1887 por el físico alemán Hertz quien utilizando circuitos eléctricos generó y detectó dichas ondas. Las ondas electromagnéticas son, en el caso más sencillo, ondas armónicas transversales, constituidas por la oscilación de dos campos, uno eléctrico y otro magnético, de direcciones perpendiculares, siendo ambos a su vez perpendiculares a la dirección de propagación, que se propagan en el vacío a la velocidad de la luz. La velocidad de la luz en el vacío es una constante universal, como postuló Einstein en 1905. En 1963 el National Bureau of Standards oficialmente fija la velocidad de la radiación electromagnética en el vacío en 299.792,8 km/s. Para la mayoría de las aplicaciones, la velocidad de las ondas electromagnéticas es aproximadamente 300 000 km/s.

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Componentes de la onda Electromagnética

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La onda electromagnética está caracterizada por la magnitud frecuencia ν, o por la magnitud longitud de onda en el vacío λ0, relacionadas entre si por la velocidad de la luz en el vacío c:

c = ν λ0 ν = c/ λ0 λ0 = c/ν

Cuando una onda electromagnética pasa de un medio a otro de diferente densidad la frecuencia no varía, pero al variar la velocidad lo hace también la longitud de onda. Conclusión: la frecuencia de una onda siempre permanece constante. La relación entre las magnitudes frecuencia, longitud de onda y velocidad en un medio distinto del vacío, será análogas a las que existen en el vacío, pero con la velocidad y la longitud de onda que corresponden al referido medio:

v = ν λ ν = v/ λ λ = v/ν

Teoría corpuscular de la luz según Planck y Einstein

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El estudio de fenómenos como la radiación del cuerpo negro, el efecto fotoeléctrico y los espectros atómicos no se pudieron explicar con el modelo ondulatorio. Aunque la teoría ondulatoria explica la propagación de la luz, falla cuando se produce interacción con la materia. En 1900 Max Planck, para obtener la ley de radiación del cuerpo negro, supuso que la emisión de luz no es de forma continua sino por cuantos discretos.

La teoría cuántica de Plank permitió que en 1905, que A. Einstein explicara el efecto fotoeléctrico y llamó fotones a los corpúsculos luminosos. El fotón al igual que otras partículas lleva consigo energía y momento desde la fuente, pero a diferencia de otras partículas, tales como protones o electrones, no posee masa en reposo. La intensidad de la radiación luminosa es directamente proporcional al número de fotones presentes, y la energía contenida en un fotón o cuanto de radiación esta definida por:

E = h ν

donde E = energía de un fotón en julios (J) y h = constante de Planck = 6,626. 10 – 34 J.s

Se puede decir que los fotones de las diversas radiaciones se distinguen entre si por su energía proporcional a la frecuencia de la onda considerada. Se aceptaba que la luz se comportaba como una onda electromagnética en los fenómenos de propagación, y como un corpúsculo en los fenómenos de emisión absorción e interacción con la materia.

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Resumen de la teoría Corpuscular

La Naturaleza dual de la luz actualmente

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La luz tiene una doble naturaleza, corpuscular y ondulatoria y en cada fenómeno concreto se manifiesta como onda o como corpúsculo. La complementariedad de los aspectos ondulatorio y corpuscular fue puesta de manifiesto por Luis de Broglie (premio Nobel en 1929) al establecer en 1924, que todo corpúsculo en movimiento (sea material, eléctrico o de cualquier naturaleza) lleva asociado una onda y que la intensidad de una onda en un punto, en un cierto instante, es la probabilidad de que el corpúsculo asociado esté en ese punto en el instante considerado. De esta forma fija la base de la Mecánica Cuántica desarrollada posteriormente por Schrödinger, Heisenberg, Born y Dirac, fundamentalmente.

Bibliografía

  • Martínez, J. E. (2007). Fisica Moderna Edicion Revisada. Atlacomulco : Pearson Educación.
  • Tippens, P. (2001). Física conceptos y aplicaciones. Chile : McGRAW-HILL INTERAMERICANA.
  • Giancoli, D. (2006). Física principios con aplicaciones. Acapulco: Pearson Educación.
  • Julián Fernández Ferrer, M. P. (1981). Iniciación a la física, Volumen Barcelona: Reverté.
  • Universidad Politécnica de Madrid. (2010). Apoyo para la preparación de los estudios de Ingeniería y Arquitectura. Madrid: Algabarra.

 

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