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Efecto fotoeléctrico: electrones de la materia y la luz

Efecto fotoeléctrico: electrones de la materia y la luz

El efecto fotoeléctrico ocurre cuando la materia emite electrones tras la exposición a la radiación electromagnética, como los fotones de luz. Aquí hay una mirada más cercana a lo que es el efecto fotoeléctrico y cómo funciona.

Descripción general del efecto fotoeléctrico

El efecto fotoeléctrico se estudia en parte porque puede ser una introducción a la dualidad onda-partícula y la mecánica cuántica.

Cuando una superficie se expone a energía electromagnética suficientemente energética, la luz será absorbida y se emitirán electrones. La frecuencia umbral es diferente para diferentes materiales. Es luz visible para metales alcalinos, luz casi ultravioleta para otros metales y radiación ultravioleta extrema para no metales. El efecto fotoeléctrico ocurre con fotones que tienen energías desde unos pocos electronvoltios hasta más de 1 MeV. A las altas energías de fotones comparables a la energía de reposo de electrones de 511 keV, puede producirse la dispersión de Compton, la producción de pares puede tener lugar a energías superiores a 1.022 MeV.

Einstein propuso que la luz consistía en cuantos, que llamamos fotones. Sugirió que la energía en cada cuanto de luz era igual a la frecuencia multiplicada por una constante (constante de Planck) y que un fotón con una frecuencia por encima de cierto umbral tendría suficiente energía para expulsar un solo electrón, produciendo el efecto fotoeléctrico. Resulta que la luz no necesita ser cuantificada para explicar el efecto fotoeléctrico, pero algunos libros de texto persisten en decir que el efecto fotoeléctrico demuestra la naturaleza de las partículas de la luz.

Ecuaciones de Einstein para el efecto fotoeléctrico

La interpretación de Einstein del efecto fotoeléctrico da como resultado ecuaciones que son válidas para la luz visible y ultravioleta:

energía del fotón = energía necesaria para eliminar un electrón + energía cinética del electrón emitido

hν = W + E

dónde
h es la constante de Planck
ν es la frecuencia del fotón incidente
W es la función de trabajo, que es la energía mínima requerida para eliminar un electrón de la superficie de un metal dado: hν0
E es la energía cinética máxima de los electrones expulsados: 1/2 mv2
ν0 es la frecuencia umbral para el efecto fotoeléctrico
m es la masa en reposo del electrón expulsado
v es la velocidad del electrón expulsado

No se emitirá ningún electrón si la energía del fotón incidente es menor que la función de trabajo.

Aplicando la teoría especial de la relatividad de Einstein, la relación entre la energía (E) y el momento (p) de una partícula es

E = (pc)2 + (mc2)2(1/2)

donde m es la masa en reposo de la partícula y c es la velocidad de la luz en el vacío.

Características clave del efecto fotoeléctrico

  • La velocidad a la que se expulsan los fotoelectrones es directamente proporcional a la intensidad de la luz incidente, para una frecuencia dada de radiación incidente y metal.
  • El tiempo entre la incidencia y la emisión de un fotoelectrón es muy pequeño, menos de 10-9 segundo.
  • Para un metal dado, hay una frecuencia mínima de radiación incidente por debajo de la cual no se producirá el efecto fotoeléctrico, por lo que no se pueden emitir fotoelectrones (frecuencia umbral).
  • Por encima del umbral de frecuencia, la energía cinética máxima del fotoelectrón emitido depende de la frecuencia de la radiación incidente, pero es independiente de su intensidad.
  • Si la luz incidente está polarizada linealmente, la distribución direccional de los electrones emitidos alcanzará su punto máximo en la dirección de polarización (la dirección del campo eléctrico).

Comparación del efecto fotoeléctrico con otras interacciones

Cuando la luz y la materia interactúan, son posibles varios procesos, dependiendo de la energía de la radiación incidente. El efecto fotoeléctrico resulta de la luz de baja energía. La energía media puede producir la dispersión de Thomson y la dispersión de Compton. La luz de alta energía puede causar la producción de pares.