¿Qué son los fotoelectrones?
A principios del siglo XX, los físicos estaban haciendo descubrimientos revolucionarios sobre los secretos del átomo. Sin embargo, a menudo hacían observaciones que no podían explicar utilizando la física conocida en ese momento.
Albert Einstein ganó el premio Nobel de física en 1922 por su explicación del efecto fotoeléctrico. El efecto fotoeléctrico es el fenómeno por el cual los electrones (ahora llamados fotoelectrones) son expulsados de la superficie de un metal cuando la luz incide sobre su superficie. Antes de Einstein, el conocimiento de la física no podía explicar lo que estamos a punto de aprender. De hecho, ¡predijo lo contrario de lo que realmente ocurrió!
Predicciones originales refutadas
Los científicos originales que estudiaron el efecto fotoeléctrico razonaron que la intensidad de la luz que brilla sobre una superficie metálica debería ser el factor principal que determina la energía cinética de los fotoelectrones emitidos. Sin embargo, los datos de sus experimentos no mostraron que esto sea cierto.
La energía cinética es el producto de la mitad de la masa (en kilogramos) de un objeto y su velocidad (en metros por segundo) al cuadrado. Todos los electrones tienen la misma masa, por lo que la energía cinética variable significa que las velocidades de los fotoelectrones son diferentes.
Otra observación contraria a la intuición señaló que los fotoelectrones no tardaron mucho en abandonar la superficie del metal una vez que la luz incidió en su superficie.
Hagamos una analogía con esto usando agua. El agua en una olla sobre una estufa caliente no se evapora en el instante en que entra en contacto con el calor térmico. Sin embargo, los electrones se expulsan instantáneamente de la superficie del metal cuando se ilumina con luz. ¡Piense en lo extraño que sería si el agua de nuestra olla se evaporara instantáneamente cuando estuviera expuesta al calor!
Esta analogía nos da una idea de lo diferente que se compara el mundo cuántico, donde está el nivel subatómico, con el mundo macroscópico que observamos todos los días. Vamos a sumergirnos en el mundo cuántico y aprender algunos detalles sobre el efecto fotoeléctrico.
Frecuencia vs. Intensidad
La luz blanca está compuesta por un espectro de colores que van desde el rojo con las frecuencias más bajas hasta el violeta con las frecuencias más altas. Quizás recuerde haber aprendido el acrónimo ROYGBIV, que significa rojo, naranja, amarillo, verde, azul, índigo y violeta.
Los físicos iluminaron estas luces de colores sobre varias superficies metálicas e hicieron observaciones. Comenzando con la luz roja en un metal en particular, observaron que no se expulsaban electrones de la superficie metálica. Pensando que era bastante extraño, aumentaron la intensidad de la luz y nada cambió; no se emitieron fotoelectrones.
A continuación, iluminaron con luz verde el mismo metal y notaron que los fotoelectrones se emitían con una energía cinética específica. La luz violeta brillante resultó en la misma cantidad de fotoelectrones expulsados que con la luz verde, pero con energías cinéticas más altas. Finalmente, aumentaron las intensidades de las luces verde y violeta. Esto hizo que se emitieran más fotoelectrones, pero sus energías cinéticas eran las mismas que con la luz menos intensa.
¿Qué es la transformación de la energía?
Para concluir:
- Cuanto mayor es la frecuencia de la luz, mayores energías cinéticas de los fotoelectrones emitidos
- A mayor intensidad de luz, mayor cantidad de fotoelectrones emitidos
Frecuencia de umbral
El otro factor del efecto fotoeléctrico es el material sobre el que incide la luz. Los materiales tienen una frecuencia mínima que les quitará electrones, denominada frecuencia umbral . La función de trabajo de un material es la energía lumínica mínima necesaria para expulsar fotoelectrones.
En otras palabras, para eliminar un electrón de la superficie del metal, se necesita una cierta cantidad de energía. Por lo tanto, la frecuencia de la luz tiene que ser lo suficientemente alta para dar a ese electrón la energía suficiente para superar la función de trabajo.
Cualquier frecuencia de luz por debajo del umbral de frecuencia no produce ningún efecto fotoeléctrico, y la intensidad de la luz no cambiará esto. Cualquier frecuencia por encima del umbral de frecuencia expulsará fotoelectrones, y cuanto mayor sea la frecuencia de la luz, mayor será la energía cinética de los fotoelectrones.
La ecuación fotoeléctrica relaciona la frecuencia de la luz que brilla sobre un material específico, la función de trabajo de ese material y la energía cinética de los fotoelectrones emitidos.
¿Cuál es la diferencia entre energía interna y entalpía?
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Se lee como hf es igual a phi más E sub k , en el que:
- h es la constante de Planck (6,63 x 10-34 julios-segundos)
- f es la frecuencia de la luz en Hertz
- φ es la función de trabajo del material en julios
- E k es la energía cinética máxima de los fotoelectrones
Puedes ver que la energía de un fotón de luz es hf . Si la luz no tiene una frecuencia suficientemente grande ( f ), no se emitirán fotoelectrones.
Resumen de la lección
El efecto fotoeléctrico es el fenómeno por el cual ciertas frecuencias de luz que brillan sobre el metal dan como resultado fotoelectrones emitidos desde la superficie con una energía cinética específica.
- La frecuencia de la luz determina si se emiten fotoelectrones, y cuanto mayor es la frecuencia, mayor es la energía cinética , que es el producto de la mitad de la masa de un objeto y su velocidad al cuadrado.
- El propio material también determina si se emiten fotoelectrones
- La intensidad de la luz afecta la cantidad de fotoelectrones emitidos, pero la energía cinética no cambia.
La frecuencia mínima de luz para emitir fotoelectrones es la frecuencia umbral de un metal. La función de trabajo de un material es la energía lumínica mínima necesaria para expulsar fotoelectrones.
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