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.
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
El Navegante
Esperando al siguiente artículo para ver finalmente si los edificios de Gehry emiten electrones o no XD
La explicación de Einstein del efecto fotoeléctrico — Cuaderno de Cultura Científica
[…] 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 de Einstein del efecto fotoeléctrico – Fluceando
[…] 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. […]
El descubrimiento de los rayos X — Cuaderno de Cultura Científica
[…] hizo un descubrimiento que lo sorprendió primero a él y luego a todo el mundo. Al igual que el efecto fotoeléctrico, no encajaba con las ideas aceptadas sobre las ondas electromagnéticas y, finalmente, también […]
El descubrimiento de los rayos X – Fluceando
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J. C.
Un detalle importantísimo: Albert Einstein NO ERA INGENIERO, ERA FÍSICO.
A los físicos no nos hace ninguna gracia que nos confundan con ingenieros.
César Tomé
El contrato que Albert Einstein tenía en la Oficina de Patentes Suiza era como «Technischer Experte 3 Klasse», literalmente, «experto técnico de tercera clase», lo que en castellano llamamos «ingeniero de tercera». Pero, quizás diga usted que «era físico», pues no, aún no se le podía llamar tal, porque estaba iniciándose en la publicación científica. Ni siquiera su título universitario era de físico, sino de «Fachlehrer in mathematischer Richtung», esto es, «profesor de matemáticas» (lo que incluía la física). Decir que era físico en ese momento es un vicio denostado en los historiadores llamado presentismo: pretender juzgar los acontecimientos y hechos del pasado con los juicios y valores del tiempo actual, distorsionando la interpretación histórica objetiva de tales hechos. Hoy conocemos a Eisntein por su física, aunque no le hizo ascos a la ingeniería; quizás si no hubiera tenido éxito por la primera sería recordado por la segunda. Le sugiero que lea Einstein y sus inventos.
JOSE
me gustaria me resolvieran una duda
si un foton capturado en una celula fotovoltaica se convierte en un electron porque cuando un electron dentro de un atomo tiene un salto cuantico despide un foton, pero continua el electron en el atomo en la nueva posicion de donde sale entonces esa conversion del electron en foton o esque lo captura del entorno?
César Tomé
Piensa en el fotón como un paquete de energía. Cuando impacta sobre la célula fotovoltaica aporta energía a un electrón. Cuando se produce una transición de un electrón dentro de un átomo desde un estado de mayor energía a otro de menor, el exceso de energía se emite como fotón. En estos procesos no hay desintegraciones ni creaciones de electrones, solo intercambios de energía.