El desconcertante efecto fotoeléctrico

Experientia docet Átomos Artículo 8 de 29

El Museo Guggenheim de Bilbao está recubierto por planchas de titanio, un metal. «El gran árbol y el ojo», la escultura de bolas, es de acero. ¿Emiten fotoelectrones? Fuente: Jon del Rivero / Unsplash

En 1887, Heinrich Hertz estaba comprobando la teoría de las ondas electromagnéticas de Maxwell. Se dio cuenta de que una superficie metálica puede emitir cargas eléctricas cuando incide sobre ella una luz de longitud de onda muy corta. Debido a que intervienen la luz y la electricidad este fenómeno pasó a conocerse como efecto fotoeléctrico.

Cuando las cargas eléctricas producidas de esta manera se hacía pasar a través de campos eléctricos y magnéticos, sus trayectorias se veían afectadas de la misma manera que las de los rayos catódicos. Por el mismo razonamiento empleado con ellos se dedujo que las cargas eléctricas emitidas por el efecto fotoeléctrico consisten en partículas cargadas negativamente. En 1898, J.J. Thomson midió el valor de la relación q / m para estas partículas. Utilizando el mismo método que había usado para las partículas de los rayos catódicos Thomson obtuvo el mismo valor para las partículas fotoeléctricas que para las partículas de los rayos catódicos.

Estos experimentos (y otros) demostraron que las partículas fotoeléctricas tenían las mismas propiedades que los electrones. De hecho, los físicos ahora consideran que estas partículas son electrones, aunque a menudo se les llama fotoelectrones, para indicar su origen. Trabajos posteriores demostraron que todas las sustancias (sólidos, líquidos y gases) exhiben el efecto fotoeléctrico en condiciones apropiadas. Para comprender bien en qué consiste y sus implicaciones nos será más conveniente centrarnos en el efecto en las superficies metálicas.

Quizás convenga señalar ahora que el efecto fotoeléctrico tuvo un lugar muy importante en el desarrollo de la física atómica básicamente porque el efecto no se puede explicar en términos de física clásica. Fue necesario introducir nuevas ideas para dar cuenta de los resultados experimentales. En concreto, la introducción del concepto revolucionario de cuanto inició una nueva rama de la física llamada teoría cuántica. Esta teoría y el concepto físico de cuanto surgen, en buena medida, debido a la explicación proporcionada para el efecto fotoeléctrico [1].

Veamos que es lo que se observó. La información básica para estudiar el efecto fotoeléctrico proviene de dos tipos de medidas:

1. Mediciones de la corriente fotoeléctrica (el número de fotoelectrones emitido por unidad de tiempo); y

2. Mediciones de las energías cinéticas de los fotoelectrones emitidos.

Figura 1. Fuente: Cassidy Physics Library

La corriente fotoeléctrica se puede estudiar con un aparato como el que se muestra en la Figura 1 (a). Dos placas de metal, C y A, están selladas dentro de un tubo de cuarzo [2] en el que se ha hecho el vacío. Las dos placas están conectadas a una fuente de diferencia de potencial (por ejemplo, una batería de alto voltaje). En el circuito también hay un amperímetro, que mide la corriente eléctrica. Mientras la luz incide en la placa C, como en Figura 1 (b), se emiten electrones con un rango de energías cinéticas (velocidades). Si el potencial de la placa A es positivo en relación con la placa C, estos fotoelectrones emitidos se acelerarán hacia la placa A [3]. La corriente eléctrica resultante la indica el amperímetro. .

Los primeros resultados del experimento son: cuanto más fuerte (o más intenso) sea el haz de luz de un color (frecuencia) dado, mayor será la corriente fotoeléctrica. Cualquier metal utilizado como placa C muestra un efecto fotoeléctrico, pero solo si la luz tiene una frecuencia mayor que un cierto valor. Este valor de la frecuencia se denomina frecuencia umbral para ese metal. Diferentes metales tienen diferentes frecuencias umbral. Pero si la luz incidente tiene una frecuencia inferior a la umbral, no se emiten fotoelectrones, ¡sin importar lo grande que sea la intensidad de la luz o cuánto tiempo permanezca encendida! Este es el primer conjunto de descubrimientos sorprendentes.

Las energías cinéticas de los electrones se pueden medir en una versión ligeramente modificada del aparato, que vemos en la Figura 1(c). La batería se invierte, de modo que la placa A ahora tiende a repeler los fotoelectrones. El voltaje puede cambiarse de cero a un valor lo suficientemente grande para evitar que los electrones alcancen la placa A, como se indica en la Figura 1(d).

Cuando el voltaje entre las placas es cero, el medidor indicará una corriente [3]. Esta lectura muestra que los fotoelectrones, que emergen con energía cinética de la superficie metálica, pueden alcanzar la placa A. A medida que aumenta el voltaje de repulsión, la corriente fotoeléctrica disminuye. Finalmente, se alcanza un cierto voltaje en el que incluso los electrones más rápidos se repelen y, por lo tanto, la corriente se vuelve cero, como se indica en en la Figura 1(d). Este voltaje, llamado voltaje de parada, es una medida de la energía cinética máxima de los fotoelectrones emitidos (Ecmax). Si llamamos Vp para al voltaje de parada, entonces la energía cinética máxima viene dada por la relación Ecmáx = e ·Vp , donde e es la magnitud de la carga del electrón. Se encontró que la energía cinética máxima medida de los electrones emitidos era proporcional a la frecuencia de la luz incidente.

En nuestro camino hacia poder explicar la tabla periódica y la estructura de los átomos, continuaremos discutiendo estos resultados, cómo la física clásica no puede explicarlos y qué solución propuso Einstein.

Nota:

[1] El concepto de cuanto fue introducido por Planck a finales de 1899. Pero en ese momento era poco más que un artificio matemático. El verdadero uso útil del mismo se lo dio Einstein en 1905 para explicar el efecto fotoeléctrico. Ya llegaremos a eso.

[2] El cuarzo (sílice) es transparente a la luz ultravioleta, así como a la luz visible, no como el vidrio común cuya base es la sílice pero que contiene otros compuestos que lo hacen opaco en mayor o menor medida a la ultravioleta.

[3] Por la naturaleza del fenómeno existe una probabilidad no nula de que algunos electrones emitidos lleguen a la placa A, incluso si no es positiva en relación con C.

Sobre el autor: César Tomé López es divulgador científico y editor de Mapping Ignorance

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