Efecto fotoeléctrico.
Se llama efecto fotoeléctrico la liberación (total o
parcial) de los electrones de enlaces con átomos y moléculas de la
sustancia bajo acción de la luz (visible, infrarroja y ultravioleta).
Si los electrones salen fuera de la sustancia el
efecto fotoeléctrico se denomina externo. El efecto fotoeléctrico se observa en
los metales.
La fig.1 muestra un recipiente provisto de una
ventanilla de cuarzo que es transparente para la radiación óptica. Dentro del
recipiente se encuentra una placa metálica K (cátodo), conectada al
polo negativo de la pila, y una placa A (ánodo), conectada al polo positivo de
la pila. Al iluminarse la placa K, entre ésta y la placa A se produce una
corriente (corriente fotoeléctrica) que puede medirse con el galvanómetro G.
Como en el recipiente existe un vacío, la corriente se produce exclusivamente
por los electrones (fotoelectrones) que se desprenden de la placa iluminada.
Hay tres características
fundamentales del efecto fotoeléctrico.
1. La corriente fotoeléctrica de saturación ( o sea, el número máximo
de electrones liberados por la luz en 1 s)
es directamente proporcional al flujo luminoso
incidente.
2.La velocidad de los fotoelectrones crece con el
aumento de la frecuencia de la luz incidente y no depende de su
intensidad.
3.Independientemente de la intensidad de la luz el efecto
fotoeléctrico comienza sólo con frecuencia mínima determinada ( para el
metal dado) de la luz que se denomina frecuencia de corte o
umbral.
La fig.2 se muestra la
gráfica de la corriente fotoeléctrica en función de la diferencia de
potencial V entre las placas A y K. La intensidad de la corriente
fotoeléctrica, cuando la composición y la intensidad de la luz incidente sobre
la placa K permanecen constantes, depende de la diferencia de potencial V que existe entre las placas A y K.
En esta gráfica se observa dos particularidades: 1) al aumentar la
diferencia de potencial V la corriente fotoeléctrica llega a la
saturación y 2) existe un valor de la diferencia de potencial retardadora
(potencial retardador) V0
llegando a la cual cesa la corriente i.
La corriente fotoeléctrica alcanza un valor
límite is (la corriente de saturación)
para el cual todos los fotoelectrones desprendidos del cátodo llegan hasta
la placa A. La práctica demuestra que con el aumento de la intensidad de
la luz incidente aumenta también la corriente de saturación, pero solamente a
causa de que son emitidos más electrones. La intensidad de la luz
incidente para la curva 2 es mayor que para la curva 1. Como la corriente i = en, donde n es el número de electrones
arrancados en la unidad de tiempo, se deduce que el número de electrones
arrancados en la unidad de tiempo aumenta con el aumento de la intensidad
de la luz incidente.
La parte ab de la curva indica, que aunque
se invierte la polaridad de la diferencia de potencial, la corriente
fotoeléctrica no se reduce instantáneamente a cero, lo que hace deducir que los
electrones emitidos por la placa K tienen una determinada velocidad
inicial. Estos electrones dejan de llegar a la placa A cuando el trabajo del
campo eléctrico eV0,
que frena a los electrones, se hace igual a su energía cinética inicial
(la energía cinética máxima) Ec,máx=
(mυ2)/2.
De la fig.2 se ve que para las ambas curvas, que
corresponden a diferentes intensidades de la luz incidente, el potencial
retardador es el mismo, o sea, el potencial retardador no depende de la
intensidad de la radiación incidente, lo que implica que la energía cinética
máxima es independiente de la intensidad de la luz.
La segunda y tercera ley del efecto fotoeléctrico
estén en contradicción con la teoría ondulatoria de la luz. Según esta
teoría una onda electromagnética al incidir sobre el cuerpo que contenga
electrones deberá provocar en ellos vibraciones forzadas de amplitud
proporcional a las amplitudes de las propias ondas luminosas. La intensidad de
la luz es proporcional al cuadrado de la amplitud de la onda electromagnética,
por lo tanto, la luz de cualquier frecuencia, pero de intensidad
suficientemente grande, debería arrancar los electrones del metal, es decir, no
debería existir la frecuencia umbral para el efecto fotoeléctrico.
Esta conclusión no concuerda con la tercera ley del efecto
fotoeléctrico. La amplitud de las ondas luminosas determina la potencia del
flujo luminoso, la velocidad de los electrones desprendidos debería aumentar
con el crecimiento de la intensidad de la luz incidente; en otras palabras,
cuanto más intensa fuera la luz, tanto mayor energía cinética debería
recibir de ella el electrón. Pero en realidad esto no ocurre: al aumentar la
potencia de la luz incidente lo que aumenta es el número de
electrones que se desprenden; la velocidad de los electrones depende
exclusivamente de la frecuencia de la luz.
La fig.3 muestra la gráfica, obtenida
experimentalmente, del potencial
retardador en función de la frecuencia de la luz incidente. Cuanto
más la
frecuencia de la luz, tanto mayor debe ser el potencial
retardador. Además,
la gráfica pone de manifiesto que existe una frecuencia de
corte ν0,
característica para cada metal. Para frecuencias menor que
ésta desaparece el efecto fotoeléctrico, por intensa que sea la
iluminación.
Las tres características mencionadas
anteriormente se interpretan fácilmente, basándose en la teoría cuántica de la
luz. Einstein demostró que todas las regularidades fundamentales del efecto
fotoeléctrico se explican directamente si
Fig.3.
se admite que la luz es absorbida en las mismas porciones
(cuantos) E = hν en que, según Planck, es emitida. Cuando
un fotón choca con un electrón en la superficie o en un punto interior
infinitamente próximo a la superficie de un metal, puede transmitir
su energía al electrón. Después del choque con el electrón el fotón desaparece. La energía
adquirida por el electrón se gasta en el trabajo necesario para arrancar el
electrón (E0) y en comunicarle una energía cinética
(mυ2)/2. De acuerdo con la ley de la conservación de la
energía tendremos que
Esta es la fórmula de Einstein. Expresando la energía
cinética del electrón por medio del trabajo del campo eléctrico [la fórmula (1)], se puede
escribir la fórmula de Einstein de la forma:
hv=eVo + Eo
De esta última igualdad se deduce que
Esta fórmula es la expresión analítica de de la gráfica V0 = f(ν)
[fig.3]. El hecho de que la energía
cinética de los fotoelectrones es función lineal de la frecuencia se
deduce de la hipótesis según la cual la absorción de la luz se realiza en
porciones (cuantos) de energía E = hν.
De la misma forma se explica la proporcionalidad que existe entre
la corriente de saturación y la potencia de la luz que incide. Al aumentar la
potencia del flujo luminoso aumenta también el número de porciones de energía
(cuantos) E = hν y por consiguiente el número n de electrones arrancados en la unidad
de tiempo. Como is es
proporcional a n, está
claro que la corriente de saturación es también proporcional a la potencia de
la luz.
No hay comentarios:
Publicar un comentario