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1. INTRODUCIÓN
En el siglo XX ya se había presupuestado un cambio explicativo para los fenómenos físicos
debido a la idea de quantum de acción propuesta por Planck. Para esta época no era muy
aceptada la idea de cuantisación pero cada vez ganaba más seguidores que apoyaban la
teoría con los experimentos uno de ellos fue Albert Einstein quien retoma la idea de
paquetes de energía para explicar el efecto fotoeléctrico.
El efecto fotoeléctrico fue descubierto por Heinrich Hertz en 1887, al observar que el arco
que salta entre dos electrodos conectados a alta tensión alcanza distancias mayores
cuando se ilumina con luz ultravioleta que cuando se deja en la oscuridad. Un año
después, Hallwachs hizo una importante observación de que la luz ultravioleta al incidir
sobre un cuerpo cargado negativamente causaba la pérdida de su carga, mientras que no
afectaba a un cuerpo con carga positiva diez años más tarde J. Thomson y P. Lenard
demostraron independientemente que la luz era la causa de la emisión de cargas
negativas libres por la superficie del metal. Aunque no hay diferencia con los demás
electrones, se acostumbra a denominar fotoelectrones a estas cargas negativas.
Hertz establece básicamente que electrones de una superficie metálica pueden escapar de
ella si adquieren la energía suficiente suministrada por la longitud de la luz por la longitud
de Onda lo suficiente corta. Hallwachs y Lenard este efecto años después.
2. MARCO TEÓRICO
La emisión de electrones por metales iluminados con luz de determinada frecuencia fue
observada a finales del siglo XIX por Hertz y Hallwachs. El proceso por el cual se liberan
electrones de un material por la acción de la radiación se denomina efecto fotoeléctrico o
emisión fotoeléctrica. Sus características esenciales son:

Para cada sustancia hay una frecuencia mínima o umbral de la radiación
electromagnética por debajo de la cual no se producen fotoelectrones por más
intensa que sea la radiación.

La emisión electrónica aumenta cuando se incrementa la intensidad de la radiación
que incide sobre la superficie del metal, ya que hay más energía disponible para
liberar electrones.
El estudio del efecto fotoeléctrico externo desempeñó un papel importante en el
desarrollo de la física moderna.
El término efecto fotoeléctrico también puede referirse a otros tres procesos: la
fotoionización, la foto conducción y el efecto fotovoltaico. La fotoionización es la
ionización de un gas por la luz u otra radiación electromagnética. Para ello, los fotones
tienen que poseer la suficiente energía para separar uno o más electrones externos de los
átomos de gas. En la fotoconducción, los electrones de materiales cristalinos absorben
energía de los fotones y llegan así a la gama de niveles de energía en la que pueden
desplazarse libremente y conducir electricidad. En el efecto fotovoltaico, los fotones crean
pares electrón-hueco en materiales semiconductores. En un transistor, este efecto
provoca la creación de un potencial eléctrico en la unión entre dos semiconductores
diferentes.
3. EXPLICACIÓN CLÁSICA
Maxwell, entre 1864 y 1873, resumió en cuatro fórmulas matemáticas toda la electricidad
y el magnetismo y señaló que el campo electromagnético era una onda que viajaba a la
misma velocidad de la luz (velocidad que dedujo de magnitudes eléctricas y magnéticas:
1
c
 
La conclusión de que la luz era un fenómeno electromagnético indujo a los
experimentadores a buscar el efecto de la luz sobre los fenómenos eléctricos.
En 1887, Hertz, y más tarde Hallwachs, realizaron el siguiente experimento. Colocaron
una placa de cinc en un electroscopio al que iluminaba con la luz procedente de la chispa
que saltaba en un arco voltaico y observaron lo siguiente:
 Si el electroscopio y la lámina de cinc estaban cargados negativamente, se
descargaban al iluminarlos ( se juntaban las láminas del electroscopio).
 Si el electroscopio y la lámina de cinc estaban cargados positivamente no se
descargaba al iluminarlo.
 Si estaba cargado negativamente y se interpone una cristal entre el arco y la lámina de
Zn, no se produce descarga aunque aumentara la intensidad de la luz.
Explicar estos hechos aplicando la teoría de la mecánica clásica sobre las ondas luminosas
es imposible.
Una posible explicación-resumen en aquel momento (final del siglo XIX) sería: “La luz es
capaz de extraer los electrones cuando hay exceso de ellos sobre el metal (cargado
negativamente). Si el electroscopio está cargado positivamente puede que la luz extraiga
algunos electrones pero no logra arrancarlos y alejarlos de la placa y vuelven a caer en
ella, por tanto la carga del electroscopio no varía. El cristal absorbe la luz ultravioleta y al
interponerlo entre la luz y la lámina del electroscopio absorbe la componente más
energética de la radiación y por ello la radiación que queda no puede extraer electrones”.
La explicación aportada por la teoría de la mecánica clásica sería: La energía de una onda
está repartida sobre el frente de onda y es proporcional al cuadrado de la amplitud y de
la frecuencia (dE = ½ dm V2 = ½ ·4r2v·dt· w2A2 =½ ·4r2v·dt· (2)2· A2 ). La Intensidad
(E / t· área) también mantiene la misma proporcionalidad).
La luz incidente aporta una cantidad de energía sobre la superficie de la placa tanto mayor
cuanto más potente sea el foco o mayor el número de focos, pero aunque esta energía
aumente mucho, si no es de la calidad adecuada (frecuencia adecuada), no es capaz de
arrancar electrones. Además el cristal interpuesto no evita que llegue una gran cantidad
de energía, ya que sólo retiene alguna (el cristal no se calienta hasta fundirse). A más
tiempo de exposición a la radiación más energía incidente y al final se produciría la
extracción repentina de todos los electrones. Pero esto no sucede.
La T. Clásica no encuentra explicación y lo más que puede decir es que la extracción no
depende “sólo” de la intensidad (I) de la luz incidente.
Si el campo eléctrico -E- de la onda electro-magnética (E equivale a Amplitud)
fuera responsable de la extracción, tendríamos que pensar que al incrementar la
intensidad de la radiación la energía cinética de los electrones extraídos también se
incrementaría (I |E|2 ). Como no es así, hay que buscar otras teorías que expliquen el
fenómeno.
En 1902, Lenard realizó una experiencia similar a la realizada por Thompson y observó que
hay un potencial de corte de emisión que es independiente de la intensidad de la luz que
incide. Duplicando la intensidad, solo se duplica el número de electrones extraídos, pero
no su energía.
Einstein explica que la luz privada de las radiaciones de mayor frecuencia, las más
energéticas, absorbidas por el cristal interpuesto (ver el primer ejemplo) no es capaz de
arrancar los electrones. No es tanto la cantidad de energía que llega a la superficie del
metal, como la calidad de esa energía – es necesario que lleguen unos fotones muy
energéticosNota curiosa.- Hertz realiza la producción y detección de las ondas electromagnética
(ondas hertzianas) y demuestra que se propagan a la velocidad de la luz, confirmando así
que la luz es una onda electromagnética (teoría ondulatoria). Pero al mismo tiempo, con
el experimento anterior, pone la base para demostrar que la luz también está formada
por partículas (fotones). En esto se funda la teoría corpuscular.
La teoría electromagnética clásica considera que la radiación de mayor intensidad (o brillo,
si es visible), que corresponde a ondas de mayor amplitud, transporta mayor energía. Esta
energía se halla distribuida uniformemente a lo largo del frente de onda. La intensidad es
igual a la energía que incide, cada unidad de tiempo, en una unidad de superficie.
I=
Eem
tA
(intesidad luminosa)
Eem = ItA
Eem
ItA
= Pem =
t
t
Eem
= Pem = IA
t
Pe =
E
= Vi (potencia elécrtica)
t
Donde i= corriente del circuito y V es el voltaje del circuito.
Suponiendo que hay corriente por efecto del campo eléctrico, entonces:
Pem = Pe = Vi = IA
Como
V = iR
Entonces
i2 R = IA
i2 =
IA
R
Como
I=
1
D2
Donde D es la distancia entre la fuete de luz y la fotocelda. Entonces
i2 =
A
RD2
i=√
A
RD2
La gráfica que representa la corriente contra la distancia teóricamente es:
corriente
0.2
0.18
0.16
0.14
0.12
0.1
0.08
0.06
0.04
0.02
0
corriente
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
4. RESPUESTA DE EINSTEIN
En 1905, para tratar de explicar el mecanismo del efecto fotoeléctrico externo, Albert
Einstein sugirió que podría considerarse que la luz se comporta en determinados casos
como una partícula, y que la energía de cada partícula luminosa, o fotón, sólo depende de
la frecuencia de la luz. Para explicar el efecto fotoeléctrico externo, Einstein consideró la
luz como un conjunto de "proyectiles" que chocan contra el metal. Cuando un electrón
libre del metal es golpeado por un fotón, absorbe la energía del mismo. Si el fotón tiene la
suficiente energía, el electrón es expulsado del metal. La teoría de Einstein explicaba
muchas características del efecto fotoeléctrico externo, como por ejemplo el hecho de
que la energía máxima de los electrones expulsados sea independiente de la intensidad de
la luz. Según la teoría de Einstein, esta energía máxima sólo depende de la energía del
fotón que lo expulsa, que a su vez sólo depende de la frecuencia de la luz. La teoría de
Einstein se verificó por experimentos posteriores. Su explicación del efecto fotoeléctrico,
con la demostración de que la radiación electromagnética puede comportarse en algunos
casos como un conjunto de partículas, contribuyó al desarrollo de la teoría cuántica.
En 1905, Albert Einstein fue un paso más allá al explicar
completamente las características del efecto fotoeléctrico. Para
ello retomó la idea del cuanto de energía de Planck, postulando
que:
La radiación electromagnética está compuesta por paquetes de
energía o fotones. Cada fotón transporta una energía
E= v. h, donde v es la frecuencia de la radiación y h es la constante de Planck.
Cuando un fotón incide sobre el metal, transfiere toda su energía a alguno de los
electrones. Si esta energía es suficiente para romper la ligadura del electrón con el metal,
entonces el electrón se desprende. Si el fotón transporta más energía de la necesaria, este
exceso se transforma en energía cinética del electrón:
Expresado en fórmula matemática es: E cinética = h. v - Extracción
Donde Extracción es la energía necesaria para vencer la unión con el metal.
ESTA TEORÍA
OBSERVADOS:
EXPLICA
PERFECTAMENTE
LOS
HECHOS
1. Si la frecuencia de la radiación es baja (como en la luz visible),
los fotones no acarrean la suficiente energía como para
arrancar electrones, aunque se aumente la intensidad de la luz
o el tiempo durante el cual incide.
Para cada tipo de material existe una frecuencia mínima por
debajo de la cual no se produce el efecto fotoeléctrico.
2. Si la frecuencia de la radiación es suficiente para que se
produzca el efecto fotoeléctrico, un crecimiento de la
intensidad hace que sea mayor el número de electrones
arrancados (por ende será mayor la corriente), pero no afecta la
velocidad de los electrones.
Aumentar la intensidad de la luz equivale a incrementar el número de fotones, pero sin
aumentar la energía que transporta cada uno.
3. Según la teoría clásica, habría un tiempo de retardo entre la llegada de la radiación y la
emisión del primer electrón. Ya que la energía se distribuye uniformemente sobre el
frente de la onda incidente, ésta tardaría al menos algunos cientos de segundos en
transferir la energía necesaria. La teoría de Einstein, en cambio, predice que:
Una radiación de frecuencia adecuada, aunque de intensidad sumamente baja, produce
emisión de electrones en forma instantánea.
Pasaron diez años de experimentación hasta que la nueva teoría fue corroborada y
aceptada. Se determinó el valor de h a partir de experiencias de efecto fotoeléctrico y se
encontró que concordaba perfectamente con el valor hallado por Planck a partir del
espectro de radiación de cuerpo negro.
Desde ese momento los físicos aceptaron que, si bien la luz se propaga como si fuera una
onda, al interactuar con la materia (en los procesos de absorción y emisión) se comporta
como un haz de partículas. Esta sorprendente conducta es lo que se ha llamado
la naturaleza dual de la luz. Esto muestra que las ideas surgidas del mundo macroscópico
no son aplicables al inimaginable mundo de lo diminuto