Efecto fotoeléctrico. Teoría de Einstein.

Se conoce como efecto fotoeléctrico a la emisión de electrones (fotoelectrones) por las superficies metálicas cuando se iluminan con luz de frecuencia adecuada.

Existen tres hechos experimentales en este fenómeno que no pueden explicarse mediante la teoría electromagnética clásica:

• La emisión tiene lugar sólo si la frecuencia f de la radiación supera una frecuencia mínima, propia de cada metal, llamada frecuencia umbral. Según la teoría clásica el efecto fotoeléctrico debía ocurrir para cualquier frecuencia de la luz siempre que esta fuera suficientemente intensa.
• Si la frecuencia f es mayor que la frecuencia umbral el número de electrones emitidos es proporcional a la intensidad de la radiación incidente. Sin embargo su energía cinética máxima es independiente de la intensidad de la luz, lo cual no tiene explicación en la teoría clásica.
• El efecto fotoeléctrico es instantáneo, nunca se ha podido medir un retraso entre la iluminación del metal y la emisión electromagnética. Sin embargo, según la teoría clásica, si la intensidad de la luz es muy débil, debe existir un tiempo de retraso entre el instante en que la luz incide sobre la superficie metálica y la emisión de fotoelectrones.

Teoría cuántica de Einstein

Einstein explicó el efecto fotoeléctrico aplicando a la luz las ideas de Planck sobre la radiación térmica: la luz se propaga por el espacio transportando la energía en cuantos de luz, llamados fotones, cuya energía viene dada por la ecuación:

E=h∙f

Donde f es la frecuencia de la luz y h la constante de Planck. En la explicación dada por Einstein toda la energía del fotón se transmite a un electrón del metal. Cuando un fotón suficientemente energético choca con un electrón del metal, la energía del fotón se emplea en arrancar al electrón del metal y darle cierta energía cinética.

E=We+Ec

h∙f=h∙f0+mv2/2

We es la energía mínima que el electrón necesita para escapar de la superficie del metal. Se denomina trabajo de extracción y su valor es característico de cada metal.

• Si la energía del fotón E=h∙f<We=h∙f0 (f<f0) el electrón no escapa, no se produce efecto fotoeléctrico.

Haz de fotones con frecuencia menor que la frecuencia umbral

• Si la energía del fotón E=h∙f=We=h∙f0 (f=f0) estamos en la frecuencia umbral, frecuencia mínima para arrancar al electrón del metal.
• Si la energía del fotón E=h∙f>We=h∙f0 (f>f0) el electrón escapa del metal con una determinada velocidad, con una energía cinética determinada Ec.

Haz de fotones con frecuencia mayor que la frecuencia umbral