2. Efecto fotoeléctrico

Cuando Hertz estudiaba las descargas eléctricas entre dos electrodos metálicos, observó que las chispas saltaban con más facilidad si iluminaba uno de los dos electrodos con luz violeta. Este fenómeno se llamó efecto Hertz o efecto fotoeléctrico.

Imagen 13.Wolfmankurd.
Creative commons.

Este fenómeno se estudió sistemáticamente, sobre todo por Lenard, y se interpretó como una emisión de electrones arrancados de la superficie del metal por la luz incidente.

Imagen 14. jfmelero. Creative commons.

El dispositivo utilizado para estudiar el efecto fotoeléctrico ( que se muestra en la imagen) está formado por una ampolla de vidrio en la que se hace el vacío para que los electrones puedan moverse libremente. En su interior se colocan un cátodo y un ánodo metálicos conectados a los bornes de una batería.

Los electrones emitidos al iluminar el cátodo con luz monocromática, dan lugar a una corriente eléctrica de intensidad I, cuando llegan al ánodo. Esta intensidad es proporcional al número de electrones arrancados. El trabajo necesario para arrancar el electrón más débilmente unido de la superficie del metal, se denomina trabajo de extracción o función trabajo, Wo.

Al conectar el ánodo al borne positivo de la pila, los electrones son atraídos y todos llegan al ánodo. Por el contrario, si se conecta el ánodo al borne negativo de la pila, los electrones son repelidos y sólo alcanzarán el ánodo aquellos que tengan la energía cinética suficiente para vencer el potencial de repulsión. Cuando este potencial es tal que no llega ningún electrón al ánodo, se denomina potencial de detención o de frenado, Vfrenado. La energía cinética máxima de los electrones arrancados del cátodo es:

Ecmáx = e · Vfrenado (e = carga del electrón)

Haz clic en la imagen para ver la animación.

Efecto fotoeléctrico
Animación 1. Jesús Peñas Cano- Educaplus. Uso educativo.

En la animación puedes observar como al variar la intensidad de la luz, varía el número de electrones arrancados.

Variando la longitud de onda (la frecuencia es inversamente proporcional a la longitud de onda) de la luz monocromática con la que iluminas el cátodo, observa que se produce el efecto fotoeléctrico a partir de un valor, sea cual sea la intensidad de la luz.

Modificando la diferencia de potencial aplicada puedes hacer que no circule corriente, al frenar los electrones arrancados y medir así el potencial de frenado.

Arrastrando, puedes cambiar el metal de que está hecho el cátodo, así puedes ver que el potencial de frenado es distinto para cada metal.

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Del estudio experimental del efecto fotoeléctrico se obtienen las siguientes conclusiones:

  • Para un metal determinado, sólo se produce el efecto fotoeléctrico cuando la frecuencia de la luz incidente supera un valor , que se denomina frecuencia umbral.
  • Para frecuencias superiores a la frecuencia umbral, un aumento en la intensidad luminosa produce un incremento del número de electrones emitidos, proporcional a la intensidad de la radiación incidente. Pero su energía cinética máxima es independiente de la intensidad de la luz.
  • El efecto fotoeléctrico se produce instantáneamente, aunque la intensidad de la luz sea pequeña.

La existencia de una frecuencia umbral no puede justificarse con las teorías clásicas de la luz. El efecto fotoeléctrico debería producirse con una luz lo suficientemente intensa, sin importar la frecuencia.

Asimismo, los electrones están ligados al metal y se necesita una energía mínima para arrancarlos (el trabajo de extracción). La luz de naturaleza ondulatoria proporciona energía de forma continua y si la intensidad es pequeña necesita un tiempo para aportar el trabajo de extracción. Así que, no se puede explicar clásicamente la emisión instantánea de los electrones.

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¿Cuál es la función trabajo del Na, del K, del Ca y del Cs?