Efecto Fotoeléctrico: Electrones de la Materia y la Luz

Efecto Fotoeléctrico: Electrones de la Materia y la Luz

El efecto fotoeléctrico se produce cuando la materia emite electrones al quedar expuesta a la radiación electromagnética, como los fotones de luz. A continuación veremos un poco mas de cerca que es el efecto fotoeléctrico y como es que funciona.

Descripción general del efecto fotoeléctrico

El efecto fotoeléctrico es estudiada debido a que puede ser una introducción a la dualidad onda/partícula y a la mecánica cuántica.

Cuando una superficie queda expuesta a la energía electromagnética (suficientemente energética), se absorberá la luz, emitiendo electrones.

La frecuencia de umbral es muy diferentes para cada tipo de materiales. Por lo tanto, la luz visible sera para los metales alcalinos, la luz casi ultravioleta para los otros metales y la radiación ultravioleta extrema para no metales.

El efecto fotoeléctrico ocurre con los fotones que tienen energías de pocos electronvoltios a mas de 1 MeV. A las altas energías de fotones que son comparables con la energía de reposo de electrones de 511 KeV, la dispersión de Compón puede ocurrir, la producción de pares puede dar lugar a energías superiores a 1.022 MeV.

Einstein expreso que la luz consistía en cuantos, la cual denominamos fotones. Dio como sugerencia, que la energía en cada cuanto de luz, era igual a la frecuencia multiplicada por una constante (constante de Plank) y que un foton que tenia una frecuencia por encima de un cierto umbral, tendría la suficiente energía como para expulsar a un solo electrón, produciendo de esa forma el efecto fotoeléctrico. Pero resulta que la luz no requiere cuantificarse para poder expresar el efecto fotoeléctrico, pero en algunos libros de textos siguen persistiendo al decir que el efecto fotoeléctrico, demuestra la naturaleza de una partícula de luz.

Ecuaciones de Einstein para el efecto fotoeléctrico

La interpretacion que dio Einstein sobre el efecto fotoelectrico dio como resultado ecuaciones que son validas tanto para la luz visible, como para la ultravioleta:

Energía del fotón = Energía que se requiere para eliminar un electrón + energía cinética del electrón emitido

hν = W + E

donde

h es la constante de Planck
ν es la frecuencia del fotón incidente
W es la función de trabajo (mínima que se requiere para eliminar un electrón de la superficie de un metal dado: hν 0)
E es la energía cinética máxima de los electrones eyectados: 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 de la relatividad especial 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 principales del efecto fotoeléctrico

  1. La velocidad en la que se expulsan los fotoelectrones son directamente proporcional con la intensidad de la luz incidente, para una frecuencia dada de radiación incidente y metal.
  2. El tiempo entre la emisión y la incidencia de un fotoelectron es muy pequeño, siendo menos de 10 segundos.
  3. Para un metal dado, existe una frecuencia mínima de radiación incidente por debajo de la cual, no se puede producir el efecto fotoeléctrico, por lo tanto, no se pueden emitir fotoelectrones (frecuencia umbral).
  4. Por encima de la frecuencia del umbral, la energía cinética máxima del fotoelectron que es emitido, dependerá de la frecuencia de la radiación incidente, siendo independiente de su intensidad.
  5. Si la luz incidente esta polarizada de forma lineal, la distribución direccional de los electrones que se emitieron, alcanzaran un pico en la dirección de polarización (dirección del campo eléctrico).

Comparando el efecto fotoeléctrico con otras interacciones

Cuando la materia y la luz interactuan, es posible muchos procesos, dependiendo de la energía de la radiación incidente. El efecto fotoeléctrico es el resultado de la luz de baja energía. La energía media puede generar dispersión Thomson y dispersión Compton. Mientras que la luz de alta energía puede provocar la producción de pares.

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