Heinrich Hertz, entre
1886 y 1887, realiza las experiencias que confirman la existencia de las ondas
electromagnéticas y, por tanto, la "bondad" de la Teoría de Maxwell. En esos experimentos
observa, además, que la descarga eléctrica entre dos electrodos se produce más
fácilmente si sobre uno de ellos se hace incidir luz ultravioleta.
Lenard,
en 1900, demuestra que el fenómeno observado por Hertz es debido a que la radiación
ultravioleta arranca electrones de la superficie metálica del cátodo. A esta emisión
de electrones se le conoce como Efecto Fotoeléctrico, y a los electrones arrancados
como Fotoelectrones. Dispositivo
Experimental Se dispone del aparato
de la figura 1. Luz, proveniente de una fuente de intensidad regulable, atraviesa
una ventana de cuarzo e incide sobre el electrodo, A, de donde son arrancados
los electrones. Se aplica una diferencia de potencial, V, entre los electrodos,
y se mide la intensidad de corriente eléctrica que circula por el circuito. La
intensidad eléctrica es una medida del número de fotoelectrones que han sido arrancados
de A y han podido llegar a B. Interpretación
clásica de los Resultados En el marco
de la teoría ondulatoria de la luz podríamos explicar la existencia del efecto
fotoeléctrico considerando que las ondas electromagnéticas portan energía y ésta
puede utilizarse para liberar electrones de las superficies metálicas. Basta que
la onda aporte una energía superior a la de ligadura del electrón para que éste
quede libre. En la teoría de Maxwell,
la cantidad de energía transportada por la onda es proporcional al cuadrado de
la amplitud de la oscilación, y por tanto a la intensidad de la onda. A continuación
se plantean tres problemas, presentes a la hora de interpretar los resultados
de las experiencias desde el punto de vista clásico.
- Un aumento de intensidad
de la onda implica un aumento de la energía acarreada. Por tanto debería de dar
lugar a un incremento de la energía de los fotoelectrones arrancados del electrodo.
Esta
predicción es incompatible con la observada independencia de V0 - es decir, de
la energía cinética máxima de los fotoelectrones - con la intensidad luminosa. - La
energía de la onda es independiente de la frecuencia de la misma, por tanto el
efecto fotoeléctrico debería darse para cualquier frecuencia, siempre y cuando
la intensidad luminosa fuese suficientemente elevada.
No
existe acuerdo entre esta afirmación y los resultados de Millikan. - La
energía de una onda electromagnética está uniformemente distribuida a lo largo
de la superficie "iluminada" por el haz de luz utilizado en las experiencias descritas.
Por otro lado, la superficie efectiva donde se pueden encontrar los electrones
será, aproximadamente, un círculo de radio igual al radio atómico. Por tanto,
la energía disponible para arrancar un electrón será la que le corresponda a esa
"superficie efectiva". Así, cada electrón deberá acumular la energía necesaria
para liberarse, ahora bien, si la intensidad de luz es suficientemente pequeña,
este proceso llevará un cierto tiempo. Concluimos que para intensidades de luz
bajas, deberá existir un tiempo de retraso entre que se ilumina el electrodo y
la emisión de los primeros fotoelectrones.
No
se observa el esperado retraso. La emisión de fotoelectrones es instantánea si
la frecuencia de la luz es la adecuada para el material del electrodo utilizado. Modelo
corpuscular de Einstein de la Radiación Electromagnética Einstein,
1905. Propone que la radiación EM está formada por paquetes - quanta - con energía,
localizados espacialmente, y que se mueven en el vacío con velocidad c.
La intensidad de la "onda EM" es, según Einstein, una medida del número - o de
la densidad - de quanta, y dado que cada uno de ellos tiene una energía fija,
la intensidad determina la energía total - o la densidad espacial de energía -
de la onda ya que esta energía será igual al número de quanta por la energía de
cada quantum. Los quanta de radiación
electromagnética reciben el nombre de fotones. Evolución
de las ideas Maxwell
La energía de la radiación EM es proporcional
a la intensidad de la onda e independiente de la frecuencia Planck La
energía de la radiación EM es proporcional a la intensidad de la onda pero está
limitada a múltiplos enteros de h. Einstein La
radiación EM está formada por "paquetes" - quanta - de energía h. La intensidad
de la "onda" es una medida del número de quanta, N, y por tanto la energía total
será proporcional a la intensidad, Nh Interpretación
del efecto fotoeléctrico bajo la perspectiva de Einstein En
el modelo de paquetes de energía, un electrón del metal o bien "absorbe" un paquete
energético o bien se queda como está. Por tanto la energía final del electrón
será, De acuerdo con el modelo podemos
concluir, - La energía cinética
máxima de los electrones es independiente de la intensidad de la fuente luminosa.
Un aumento de la intensidad de la fuente implica un aumento del número de quanta
incidiendo sobre los electrones, pero la energía de cada uno de ellos es siempre
la misma, por tanto la máxima energía que adquieren los electrones no varía.
- Para
cada material - es decir para cada w0 - existe una frecuencia, por debajo
de la cual no es posible el efecto fotoeléctrico. Una vez más la independencia
entre la energía máxima transferible al electrón, la del quantum, y la intensidad
de la radiación, permite explicar los resultados de Millikan.
- Si
utilizamos una fuente de radiación electromagnética de frecuencia adecuada, el
efecto fotoeléctrico se comenzará a producir en el instante en que los fotones
lleguen al metal, ya que la energía está "concentrada" en el paquete y no distribuida
espacialmente como suponíamos en el razonamiento clásico .
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