El efecto fotoeléctrico y la naturaleza de partícula de la luz
En 1905, Albert Einstein (1879-1955) propuso describir la luz como cuantos de energía que se comportan como partículas. Un fotón es una partícula de radiación electromagnética que tiene masa cero y lleva un cuanto de energía. La energía de los fotones de luz se cuantifica según la ecuación \(E = h \nu\). Durante muchos años, la luz se había descrito utilizando sólo conceptos ondulatorios, y los científicos formados en la física clásica encontraron que esta dualidad onda-partícula de la luz era una idea difícil de aceptar. Un concepto clave que fue explicado por Einstein utilizando la naturaleza de partícula de la luz fue el llamado efecto fotoeléctrico.
El efecto fotoeléctrico es un fenómeno que se produce cuando la luz que incide 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), no se expulsaban electrones, incluso si la intensidad de la luz era muy alta o se proyectaba sobre la superficie durante mucho tiempo. Si la frecuencia de la luz es más alta (luz verde, por ejemplo), los electrones pueden ser expulsados de la superficie metálica incluso si la intensidad es muy baja o si se proyecta durante poco tiempo. Esta frecuencia mínima necesaria para provocar la expulsión de electrones se denomina 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 llegar a acumular suficiente energía para ser expulsado de la superficie aunque la luz entrante fuera de baja frecuencia. Einstein utilizó la teoría de las partículas de la luz para explicar el efecto fotoeléctrico, como se muestra en la siguiente figura.
La luz de baja frecuencia (roja) no puede provocar la expulsión de los electrones de la superficie del metal. Por encima de la frecuencia umbral (verde) los electrones son expulsados. Incluso la luz entrante de mayor frecuencia (azul) provoca la expulsión del mismo número de electrones, pero con mayor velocidad.
Considere la ecuación \(E = h \nu\). La \(E\) es la energía mínima que se requiere para que el electrón del metal sea expulsado. Si la frecuencia de la luz entrante, \(\nu\), es inferior a la frecuencia umbral, nunca habrá suficiente energía para provocar la expulsión de los electrones. Si la frecuencia es igual o superior a la frecuencia umbral, los electrones serán expulsados. A medida que la frecuencia aumenta por encima del umbral, los electrones expulsados simplemente se mueven más rápido. Un aumento de la intensidad de la luz entrante por encima de la frecuencia umbral hace que aumente el número de electrones expulsados, pero éstos no se desplazan más rápido. El efecto fotoeléctrico se aplica en dispositivos llamados células fotoeléctricas, que se encuentran comúnmente en artículos de uso cotidiano (como una calculadora) que utilizan la energía de la luz para generar electricidad.
Las células fotoeléctricas convierten la energía de la luz en energía eléctrica, que alimenta esta calculadora.