El efecto fotoeléctrico

El efecto fotoeléctrico es el fenómeno físico por el cual los electrones son expulsados ​​de un material cuando se expone a una luz de frecuencia suficientemente alta. Este fenómeno, conocido desde hace más de un siglo, ha sido objeto de mucho debate entre los científicos. Estaban divididos sobre la naturaleza misma de la luz. ¿Fue una onda o una partícula?
Comienza en 1887. El físico alemán Heinrich Rudolph Hertz (1857-1894), famoso por el descubrimiento de las ondas electromagnéticas, descubrió el efecto fotoeléctrico en un experimento bastante sencillo.
Dos placas de metal se colocan en el vacío. Se aplica una diferencia de potencial a estas placas. Se mide la corriente que fluye a través del sistema. Como las placas de metal se colocan en el vacío, los electrones no tienen soporte para pasar de un electrodo. entre sí, y por lo tanto ninguna corriente puede fluir a través del sistema.
Hertz enciende una de las placas con luz roja y no pasa nada. Luego ilumina la placa con luz azul y nota que comienza a fluir una corriente.
La luz, al incidir en la superficie del metal, arranca electrones del mismo, lo que corresponde a la apariencia de la electricidad ya que los electrones están cargados eléctricamente. Pero esta explicación no es suficiente.
En 1900, otro físico alemán, Max Planck (1858-1947), estudió la radiación del cuerpo negro y propuso una teoría de la emisión de luz. La luz corresponde a la actividad de los corpúsculos microscópicos en vibración, cuya energía emitida E es proporcional a la frecuencia de vibración (E = hν). Él llama a esta cantidad elemental de luz "quanta".
Fue Albert Einstein (1879-1955) quien hizo una importante contribución a la comprensión del efecto fotoeléctrico. Mezclará todos los resultados experimentales de Hertz, Halbwachs, Elster, Geitel y Lenard con las hipótesis teóricas de Planck. Ofrece una teoría de que la luz está compuesta de partículas individuales, llamadas fotones. Él postula que estos fotones tienen una energía cuantificada que es directamente proporcional a su frecuencia. Esta hipótesis ayudó a explicar la relación entre la frecuencia de la luz y la energía de los electrones emitidos por un material cuando se expone a una luz de alta energía.

La ecuación de Einstein para el efecto fotoeléctrico relaciona la energía cinética de los electrones emitidos con la energía fotónica de la luz incidente.
Está dada por E = hf - Φ, donde E es la energía cinética del electrón emitido, h es la constante de Planck, f es la frecuencia de la luz incidente y Φ es la función de trabajo del material.
La constante de Planck, denominada h, es una constante física fundamental que se utiliza para calcular la energía de los fotones. Tiene un valor aproximado de 6,626 x 10^-34 julios segundo (J.s). La frecuencia de la luz incidente, denominada f, es el número de ciclos completos de luz por segundo y se mide en hercios (Hz).
La función de trabajo del material, indicada como Φ, es la energía mínima necesaria para expulsar un electrón del material. Depende de las propiedades del propio material, como la naturaleza de sus enlaces químicos, su estructura cristalina y su composición. La función de trabajo es una medida de la facilidad con la que se pueden expulsar electrones de un material. Cuanto más grande es, más difícil es expulsar electrones del material.
La ecuación de Einstein para el efecto fotoeléctrico muestra que la energía cinética de los electrones emitidos es directamente proporcional a la energía fotónica de la luz incidente menos la función de trabajo del material. Esto significa que si la frecuencia de la luz incidente es demasiado baja, la energía de los fotones será insuficiente para expulsar electrones del material, incluso si tienen libertad de movimiento. Para que se produzca el efecto fotoeléctrico, la frecuencia de la luz incidente debe superar un valor umbral determinado por la función de trabajo del material.
La ecuación de Einstein para el efecto fotoeléctrico tiene implicaciones importantes para comprender la naturaleza de la luz y la materia, así como para muchas áreas de la ciencia y la tecnología, incluida la física de materiales, la energía solar y las imágenes médicas.