El efecto fotoeléctrico.
Se produce cuando un
metal es iluminado por luz de una frecuencia suficientemente alta, lo que
provoca que los electrones se liberen de su superficie.
En
química sabemos que los metales poseen una nube de electrones que se desplaza
libremente dentro de una estructura cristalina compuesta por iones positivos
(cationes). Sin embargo, no toda luz puede causar la emisión de electrones. Por
ejemplo, la luz de frecuencias bajas, como la luz roja, no logra extraer
electrones, mientras que la de frecuencias altas, como la ultravioleta, sí lo
hace.
En este
fenómeno, Einstein identificó dos discrepancias con la teoría ondulatoria de la
luz:
Existencia de una
frecuencia umbral (𝑓0): Cada metal tiene una frecuencia mínima específica, por
debajo de la cual no se emiten electrones, independientemente de la intensidad
de la luz.
Dependencia de la
energía cinética de los electrones respecto a la frecuencia de la luz: La
velocidad máxima con la que son expulsados los electrones depende únicamente de
la frecuencia, no de la intensidad de la radiación.
Las limitaciones de la física clásica.
Según la teoría clásica
del electromagnetismo, la energía transmitida por una onda depende de su intensidad
y del tiempo de exposición. Por lo tanto, debería ser posible provocar la
emisión de electrones aumentando la intensidad de la luz o prolongando el
tiempo de exposición, sin modificar la frecuencia. Sin embargo, los
experimentos demostraron que ni la intensidad ni el tiempo de exposición
influyen en el efecto fotoeléctrico,
solo la frecuencia determina si ocurre o no el fenómeno.
La propuesta cuántica de Einstein.
Para resolver estas discrepancias, Einstein aplicó la hipótesis cuántica de Planck y formuló
las siguientes ideas clave:
Trabajo de extracción (Wℯ): Depende de la
naturaleza del metal y representa la cantidad mínima de energía que un electrón
necesita para escapar de la superficie.
Cuantos de energía (fotones): Cuando el metal absorbe
luz de frecuencia (𝑓),
cada electrón captura un único cuanto de
energía, expresado mediante la ecuación:
𝑬 = ℎ . 𝑓
𝑬 = Energía del cuanto de energía (J).
ℎ = Constante de Planck (J.s).
𝑓 = Frecuencia de la luz (Hz).
Esta
relación indica que, a mayor frecuencia, la energía es mayor, lo que explica
por qué únicamente la luz de frecuencias elevadas (o longitudes de onda más
cortas) es capaz de liberar electrones.
Einstein
empleó el término "cuantos de luz" para referirse a estas partículas
de energía. Más tarde, en 1926, Gilbert N. Lewis acuñó el término fotón para designarlas.
Si la
energía del fotón supera el trabajo de
extracción (Wℯ),
el electrón no solo es expulsado del metal, sino que además adquiere una
energía cinética proporcional al excedente. Esto se expresa en la ecuación de Einstein para el efecto
fotoeléctrico:
𝑬cmáx = ℎ . 𝑓 - Wℯ
𝑬cmáx = Energía cinética máxima de los electrones
emitidos (J).
ℎ = Constante de Planck (J.s).
𝑓 = Frecuencia de la luz (Hz).
Wℯ = Trabajo de extracción del metal (J).
Para la frecuencia umbral (𝑓0),
la energía del fotón es exactamente igual al trabajo de extracción:
Wℯ = ℎ . 𝑓0
La naturaleza dual de la luz.
La propuesta de
Einstein generó un intenso debate en la comunidad científica. Según sus
hallazgos, la luz se comporta como una partícula (el fotón) al interactuar con la materia. Sin embargo, numerosos
experimentos previos habían demostrado que también exhibe comportamientos
propios de las ondas; como se evidencia en el experimento de la doble
rendija realizado por Thomas Young en 1801.
Esto
llevó al concepto de dualidad onda-partícula, una característica
fundamental de la luz. Según esta idea, la luz puede manifestarse como onda o
como partícula, dependiendo del fenómeno estudiado:
Naturaleza ondulatoria: Se
observa en fenómenos como la interferencia y la difracción. Estos efectos pueden
ocurrir con cualquier tipo de onda, pero son más notorios en aquellas de baja
frecuencia (longitudes de onda largas), como las microondas y las ondas
de radio. En contraste, con longitudes de onda cortas, como
los rayos X y los rayos gamma, se requieren estructuras muy pequeñas
(del orden de átomos o núcleos) para que la interacción sea significativa.
Naturaleza corpuscular:
Predomina en fenómenos que involucran fotones de alta energía, es decir,
aquellos con frecuencias altas (longitudes de onda cortas). Además del efecto fotoeléctrico, esta naturaleza
se evidencia en otros fenómenos, como en el efecto Compton, en el cual un fotón de alta energía (por ejemplo,
rayos X o rayos gamma) colisiona
con un electrón y le transfiere parte de su energía y momento. Como
consecuencia, el fotón dispersado aumenta su longitud de onda al perder parte
de su energía.
En
resumen, la luz se propaga como una onda electromagnética, pero al interactuar
con la materia, se comporta como un fotón:
una partícula sin masa que transporta energía y momento.
La propuesta de Einstein para explicar el efecto fotoeléctrico no solo resolvió
discrepancias con la teoría clásica, sino que también consolidó la hipótesis cuántica de Planck.
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