5.4: Efecto fotoeléctrico
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¿Eres fanático de la ciencia ficción?
En los cuentos de ciencia ficción de la década de 1950, un tema de los viajes espaciales fue el uso de velas solares para la propulsión. La idea era que la presión fotónica del sol empujara la vela (como las velas de viento) y moviera la nave espacial. Lo que antes fue ciencia ficción ahora es realidad, ya que las velas solares se están desarrollando y probando para los viajes espaciales modernos.
Efecto fotoeléctrico y la naturaleza de partículas de la luz
En 1905, Albert Einstein (1879-1955) propuso que la luz se describiera como cuantos de energía que se comportan como partículas. Un fotón es una partícula de radiación electromagnética que tiene masa cero y transporta un cuántico de energía. La energía de los fotones de luz se cuantifica según la\(E = h \nu\) ecuación. Durante muchos años la luz se había descrito usando solo conceptos de onda, y los científicos entrenados en física clásica encontraron que esta dualidad de luz onda-partícula era una idea difícil de aceptar. Un concepto clave que fue explicado por Einstein usando la naturaleza de partículas de la luz se llamó el efecto fotoeléctrico.
El efecto fotoeléctrico es un fenómeno que ocurre cuando la luz brilla sobre una superficie metálica provoca la expulsión de electrones de ese metal. Se observó que sólo ciertas frecuencias de luz son capaces de provocar la expulsión de electrones. Si la frecuencia de la luz incidente era demasiado baja (luz roja, por ejemplo), entonces no se expulsaron electrones, incluso si la intensidad de la luz era muy alta o brillaba sobre la superficie durante mucho tiempo. Si la frecuencia de la luz era mayor (luz verde, por ejemplo), entonces los electrones pudieron ser expulsados de la superficie metálica aunque la intensidad fuera muy baja o se iluminara por poco tiempo. Esta frecuencia mínima necesaria para provocar la expulsión de electrones se conoce como la frecuencia umbral.
La física clásica no pudo explicar el efecto fotoeléctrico. Si se aplicara la física clásica a esta situación, el electrón en el metal podría eventualmente recolectar suficiente energía para ser expulsado de la superficie incluso si la luz entrante fuera de baja frecuencia. Einstein utilizó la teoría de partículas de la luz para explicar el efecto fotoeléctrico como se muestra en la siguiente figura.
Considera la\(E = h \nu\) ecuación. El\(E\) es la energía mínima que se requiere para que el electrón del metal sea expulsado. Si la frecuencia de la luz entrante\(\nu\),, está por debajo de la frecuencia umbral, nunca habrá suficiente energía para hacer que los electrones sean expulsados. Si la frecuencia es igual o superior a la frecuencia umbral, los electrones serán expulsados. A medida que la frecuencia aumenta más allá del umbral, los electrones expulsados simplemente se mueven más rápido. Un aumento en la intensidad de la luz entrante que está por encima de la frecuencia umbral provoca que aumente el número de electrones que son expulsados, pero no viajan más rápido. El efecto fotoeléctrico se aplica en dispositivos llamados células fotoeléctricas, que se encuentran comúnmente en artículos cotidianos (como una calculadora) que utilizan la energía de la luz para generar electricidad.
Inicie el PLIX interactivo a continuación para determinar qué tipo de luz coloreada tiene suficiente energía (eV) para expulsar un electrón de la placa de metal:
Resumen
- La luz tiene propiedades tanto de onda como de partícula.
- El efecto fotoeléctrico es producido por la luz que golpea un metal y desalojando electrones de la superficie del metal.
Revisar
- ¿Cuáles son las propiedades de un fotón?
- ¿Qué muestra el efecto fotoeléctrico sobre las propiedades de la luz?
- ¿Cómo afecta la frecuencia de la luz a la liberación de fotones?