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- Cómo los físicos resolvieron el efecto fotoeléctrico de la luz
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Por Steven Holzner
El efecto fotoeléctrico fue uno de los muchos resultados experimentales que constituyeron una crisis para la física clásica a principios del siglo XX. También fue uno de los primeros éxitos de Einstein, y es una prueba de la cuantización de la luz. Esto es lo que pasó.
El efecto fotoeléctrico.
Cuando se ilumina el metal, como muestra la figura anterior, se emiten electrones. Los electrones absorben la luz que usted brilla, y si reciben suficiente energía, pueden liberarse de la superficie del metal. Según la física clásica, la luz es sólo una onda, y puede intercambiar cualquier cantidad de energía con el metal. Cuando usted irradia luz sobre un pedazo de metal, los electrones en el metal deben absorber la luz y lentamente recoger suficiente energía para ser emitida por el metal. La idea era que si se iluminaba más el metal, los electrones debían ser emitidos con una energía cinética más alta. Y una luz muy débil no debería ser capaz de emitir electrones en absoluto, excepto en cuestión de horas.
Pero eso no fue lo que pasó – los electrones fueron emitidos tan pronto como alguien hizo brillar la luz sobre el metal. De hecho, no importa cuán débil sea la intensidad de la luz incidente (y los investigadores intentaron experimentos con una luz tan débil que debería haber llevado horas conseguir que se emitieran electrones), los electrones fueron emitidos. Inmediatamente.
Energía cinética de los electrones emitidos frente a la frecuencia de la luz incidente.
Los experimentos con el efecto fotoeléctrico mostraron que la energía cinética, K, de los electrones emitidos dependía sólo de la frecuencia – no de la intensidad – de la luz incidente, como se puede ver en esta figura.
En la figura,
se llama la frecuencia de umbral, y si usted hace brillar la luz con una frecuencia por debajo de este umbral en el metal, no se emiten electrones. Los electrones emitidos provienen del conjunto de electrones libres en el metal (todos los metales tienen un conjunto de electrones libres), y es necesario suministrar a estos electrones una energía equivalente a la función de trabajo del metal, W, para emitir los electrones desde la superficie del metal.
Los resultados eran difíciles de explicar clásicamente, así que entró Einstein. Este fue el comienzo de su apogeo, alrededor de 1905. Animado por el éxito de Max Planck, Einstein postuló que no sólo se cuantificaban los osciladores, sino que también se cuantificaba la luz, en unidades discretas llamadas fotones. La luz, sugirió, actuaba como partículas y también como ondas.
Así que en este esquema, cuando la luz golpea una superficie metálica, los fotones golpean a los electrones libres, y un electrón absorbe completamente cada fotón. Cuando la energía,
del fotón es mayor que la función de trabajo del metal, el electrón es emitido. Eso es,
donde W es la función de trabajo del metal y K es la energía cinética del electrón emitido. Resolver para K le da lo siguiente:
La función de trabajo puede expresarse en términos de frecuencia de umbral,
También puede escribir esto en términos de la frecuencia de umbral de esta manera:
Así que aparentemente, la luz no es sólo una onda; también puedes verla como una partícula, el fotón. En otras palabras, la luz es cuantizada.
