La incompatibilidad del efecto fotoeléctrico con la física clásica

Experientia docet Átomos Artículo 9 de 29

The Walt Disney Concert Hall en Los Ángeles (EE.UU.) está recubierto de paneles de acero inoxidable. ¿De qué modo depende el que emita electrones durante el día de que esté nublado? Fuente: Reza Rostampisheh / Unsplash

Los resultados experimentales del estudio del efecto fotoeléctrico se pueden resumir en las siguientes afirmaciones.

1. Un metal muestra un efecto fotoeléctrico si, y solo si, la luz incidente tiene una frecuencia superior a una determinada frecuencia umbral característica de ese metal, que simbolizaremos como f0.

2. Si la luz de una frecuencia dada f produce un efecto fotoeléctrico (por tanto, f > f0), la corriente fotoeléctrica desde la superficie es proporcional a la intensidad de la luz que incide sobre ella.

3. Si la luz de una frecuencia f dada libera fotoelectrones (f > f0) , la emisión de estos electrones es inmediata.

4. Las energías cinéticas de los electrones emitidos muestran un valor máximo, que es proporcional a la frecuencia f de la luz incidente (f > f0).

5. La energía cinética máxima de los fotoelectrones aumenta en proporción directa a la frecuencia de la luz que causa su emisión. La forma en que la energía cinética máxima de los electrones varía con la frecuencia de la luz incidente se muestra en la Figura 1 para distintos elementos. Para cada elemento los puntos de los datos experimentales caen en una línea recta. Cada recta comienza en una frecuencia distinta que se corresponde a las distintas frecuencias umbral. Todas las rectas tienen la misma pendiente.

Figura 1. En esta figura eV0 se corresponde a la energía cinética máxima. Explicamos como se encuentra experimentalmente aquí, aunque nosotros la llamamos Vp (voltaje de parada) a lo que en esta figura llaman V0.

Salvo la 2, todas las afirmaciones son inexplicables usando la teoría electromagnética clásica de la luz. Veamos.

Empecemos por la 3: la emisión es inmediata. El intervalo de tiempo medido entre el instante en que la luz incide en la superficie metálica y la aparición de los electrones es como mucho 3·10-9 s y probablemente mucho menos. En algunos experimentos, la intensidad de luz utilizada fue extremadamente baja. En estos casos y de acuerdo con la teoría ondulatoria clásica de la luz, se deberían necesitar varios minutos para que un electrón acumulase la suficiente energía de esa luz para ser emitido. Pero incluso en estos casos de baja intensidad de la luz los electrones se emiten en cuanto la la luz incide en la superficie.

Sin duda la afirmación más sorprendente es la 1: hay una frecuencia umbral. Los fotoelectrones se emiten si la frecuencia de la luz incidente está por encima de esa frecuencia de umbral, sin importar lo débil que sea el haz de luz. Pero si la frecuencias de la luz está justo por debajo de la frecuencia umbral, no se emiten electrones, no importa lo grande que sea la intensidad del haz de luz. La teoría ondulatoria clásica de la luz no puede explicar la existencia de una frecuencia umbral. No parece haber ninguna razón desde el punto de vista clásico por la cual un haz de alta intensidad de baja frecuencia no debería producir fotoelectricidad si la radiación de baja intensidad de mayor frecuencia puede producirla.

La energía cinética máxima no depende de la intensidad de la luz incidente, como requeriría la teoría ondulatoria clásica de la luz, sino de la frecuencia (afirmación 4). La teoría clásica tampoco podría explicar por qué la energía cinética máxima de los fotoelectrones aumenta directamente con la frecuencia de la luz (afirmación 5), pero es independiente de la intensidad.

En definitiva, los científicos estaban desconcertados. La teoría ondulatoria clásica de la luz funcionaba perfectamente bien en todas las circunstancias conocidas en la época, pero no en el efecto fotoeléctrico. ¿Cómo era posible que un tren de baja intensidad de ondas de luz, que incide sobre una enorme cantidad de átomos en la superficie de un metal, pudiese concentrar, en un intervalo de tiempo muy corto, suficiente energía en un electrón como para que el electrón abandonase el metal?

Era necesario un nuevo concepto revolucionario sobre la estructura de los átomos y cómo interactuaban con la luz. Tan revolucionaria era la idea necesaria que la tenía que proponer alguien que no tuviese mucho que perder si decía un disparate…como un ingeniero de tercera de una oficina de patentes suiza. Ese ingeniero se llamaba Albert Einstein.

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

5 comentarios

  • Avatar de El Navegante

    Esperando al siguiente artículo para ver finalmente si los edificios de Gehry emiten electrones o no XD

  • […] La explicación del efecto fotoeléctrico fue el trabajo principal citado en cuando se le concedió el premio Nobel de Física en 1921 a Albert Einstein. La explicación de Einstein, propuesta en 1905, desempeñó un papel importante en el desarrollo de la física atómica. Basó su teoría en una hipótesis muy atrevida, ya que pocos de los detalles experimentales se conocían en 1905. Además, el punto clave de la explicación de Einstein contradecía las ideas clásicas de la época. […]

  • […] La explicación del efecto fotoeléctrico fue el trabajo principal citado en cuando se le concedió el premio Nobel de Física en 1921 a Albert Einstein. La explicación de Einstein, propuesta en 1905, desempeñó un papel importante en el desarrollo de la física atómica. Basó su teoría en una hipótesis muy atrevida, ya que pocos de los detalles experimentales se conocían en 1905. Además, el punto clave de la explicación de Einstein contradecía las ideas clásicas de la época. […]

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