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El efecto fotoeléctrico

Apolonio Juárez Núñez

Laboratorio de Ciencias Aplicadas, UAP

 

 

  El efecto fotoeléctrico se produce al iluminar con luz una superficie metálica y obtener emisión de electrones de su superficie [1,2]. Este efecto se puede observar y estudiar tanto de forma cualitativa como cuantitativa.

 

A Hertz se le atribuye la  primera observación del efecto fotoeléctrico en 1887, al hacer incidir radiación electromagnética en la región visible, con longitud de onda suficientemente corta, sobre una superficie metálica. En 1888, Hallwachs, observó que si se hacía incidir radiación ultravioleta sobre una superficie de Zinc cargada negativamente, la superficie perdía la carga rápidamente. En cambio, si la superficie estaba cargada positivamente, entonces la carga no se perdía bajo el efecto de la radiación ultravioleta. Con esto y con el hecho de que en 1888 y 1889, Thomson y Lenard, midieron el valor de la relación e/m , para las cargas emitidas, encontrando ésta igual a la de los rayos catódicos; se demostró que eran electrones los que se emitían en el efecto fotoeléctrico.

 

 

Los resultados experimentales muestran que al realizar el efecto fotoeléctrico se obtiene lo siguiente:

 

1.     La corriente de los fotoelectrones emitidos por la superficie metálica es directamente proporcional a la intensidad de la radiación incidente.

2.     Para que una superficie metálica emita electrones, es necesario que la frecuencia de la radiación incidente sobrepase un cierto valor mínimo.

3.     La energía máxima de los fotoelectrones emitidos no depende de la intensidad de la radiación incidente.

4.     La energía cinética de los electrones emitidos aumenta al aumentar la frecuencia de la radiación incidente.

5.     La emisión de los fotoelectrones es inmediata e independiente de la intensidad de la radiación incidente.

 

La teoría clásica de las ondas electromagnética no explicó satisfactoriamente este comportamiento experimental. Para lograr una explicación satisfactoria del efecto fotoeléctrico, hubo que esperar a que en 1900, Max Planck postulara la cuantización de la radiación y Einstein en 1905, desarrollara la teoría cuántica de la radiación expresada en la siguiente relación:

 

                              hv = hvo + T ,

 

donde hv es la energía del fotón incidente, hvo es la función trabajo del metal y T es la energía cinética del fotoelectrón emitido por la superficie del metal.

 

De aquí surge la formulación de que la materia tiene un comportamiento dual onda partícula. Esta formulación tiene su expresión matemática en la relación De Broglie, donde se establece una correspondencia entre la masa y la longitud de onda de la materia.

 

Con este nuevo desarrollo conceptual de la Física, se describía a la luz como un conjunto de partículas que inciden sobre la superficie metálica. Cada partícula transfiere su energía a los electrones en el metal, adquiriendo estos la energía suficiente para desprenderse de la superficie metálica y ganando energía cinética.

 

Desde su descubrimiento, el efecto fotoeléctrico ha conservado una estructura definida en su arreglo experimental, utilizando fuentes de excitación como lámparas de mercurio y un arreglo óptico, necesario para amplificar la señal recibida en el fototubo.

 

Con el advenimiento de las nuevas tecnología y específicamente con el desarrollo de los Diodos Emisores de Luz (LEDs), el arreglo experimental puede ser simplificado para realizar de una forma más fácil y precisa el efecto fotoeléctrico.

 

El efecto fotoeléctrico puede ser observado de forma cualitativa y cuantitativa. En lo que respecta a la forma cuantitativa, en algunos arreglos es posible encender una bombilla, conectada mediante un circuito a un metal que se ilumina y del cual se obtiene una corriente eléctrica.

 

En un primer arreglo experimental, contando con un multímetro con capacidad para medir microamperes (que son comunes comercialmente), y un fotodiodo al vacío, podemos obtener corrientes eléctricas iluminando la superficie metálica del diodo, con luz solar y/o cualquier foco.

 

El tratamiento cuantitativo del efecto fotoeléctrico requiere de un arreglo experimental mas elaborado, debido a que por lo general, tenemos que medir corrientes eléctricas en la región de nanoamperes para cada longitud de onda incidente y aplicar el voltaje de retardo con precisión de décimas de Volts.

 

Tradicionalmente la fuente de emisión de luz ha sido una lámpara de mercurio, cuya radiación se hace pasar a través de un espectrómetro, donde se selecciona la longitud de onda que será enviada al cátodo del metal. Por lo general y debido al relativo largo camino que recorre la radiación antes de llegar al cátodo se obtiene una señal de excitación muy débil y una señal de respuesta  también bastante débil. La lámpara de mercurio por lo general tiene que ser enfriada, debido al calentamiento que tiene por la alimentación eléctrica.

 

En el arreglo experimental que aquí reportamos, sustituimos la lámpara de mercurio por un diodo emisor de luz. La frecuencia de la radiación varía de acuerdo al color del LED.

 

Hemos realizado el experimento utilizando un conjunto de 16 led’s que van desde el infrarrojo hasta el azul y lámparas ultravioleta en dos longitudes de onda. Los resultados que aquí reportamos solo incluyen las mediciones de 6 led’s y de una longitud de onda en el UV.

La interpretación de que la materia tiene un comportamiento dual onda partícula es una de las consecuencias del surgimiento de la teoría cuántica. El  experimento del efecto fotoeléctrico y su explicación han contribuido de manera importante a cimentar esta formulación.

 

Por tal motivo es importante que el experimento del efecto fotoeléctrico se realice en los cursos de laboratorio de física moderna de las facultades o posgrados de las carreras de física.

 

El experimento del efecto fotoeléctrico nos permite acercarnos a la explicación de las propiedades microscópicas de la materia de una forma directa y relativamente sencilla, al estar en posibilidad de calcular con precisión la constante de Planck y conocer características esenciales de los metales como la función trabajo. Adicionalmente también es posible caracterizar la frecuencia de un diodo emisor de luz, incluyendo emisores infrarojos.

 

En este sentido es importante encontrar algún método que simplifique este experimento. Después de haber probado exitosamente durante varios cursos de laboratorio de física moderna, este método, en este trabajo reportamos resultados de su uso.

 

Si bien es cierto que los led’s no tienen una longitud de onda monocromática, puesto que su distribución se acerca bastante a una gaussiana alrededor de la frecuencia principal caracterizada por el color, los resultados obtenidos concuerdan con resultados previos obtenidos por otros autores [3].

 

La introducción de una fuente de radiación diferente a la tradicional lámpara de mercurio, simplifica el experimento del efecto fotoeléctrico y permite obtener resultados precisos y rápidos, como se muestra en este trabajo. Posteriores mejoras al método, pueden ser realizadas y lo que aquí reportamos pretende ir en esa dirección.