Efecto fotoeléctrico

Teoría Applet interactivo (actividades) Nuestra célula fotoeléctrica

Con este nombre se conoce el proceso de extracción de electrones de algunos materiales cuando incide sobre ellos una radiación con suficiente energía.

Einstein, en 1905, explicó el efecto fotoeléctrico afirmando que: la energía no se transmite repartida en toda la onda (como se suponía en la teoría clásica), sino agrupada en unos paquetes de energía que llamó fotones (partículas sin masa en reposo, pero con una cantidad de movimiento y energía) que se mueven con la onda, o mejor aún, que al moverse son guiados por una onda.

Cuando la luz llega a la superficie de un metal, la energía no se reparte equitativamente entre los átomos que componen las primeras capas en las que puede penetrar el haz de luz.

Sólo los átomos que son impactados por el fotón reciben la energía que éste transporta.

Si la energía que le transfiere el fotón al átomo es suficiente para desligar el electrón de la atracción del núcleo, lo arranca del metal.

La energía cinética de los electrones emitidos depende de la frecuencia de la radiación incidente y de la posición que ocupa ese electrón en el metal.

Ecuación de Einstein:

hn - hno= ½ m v2 .

La energía incidente menos el trabajo de extracción es igual a la energía cinética del electrón extraído.

Según la teoría de conducción metálica de Sommerfeld los electrones de conducción tienen diferentes energías de unión al metal. Se puede establecer la distribución de electrones por energías aplicando la teoría estadística de Fermi-Dirac.

 

En el gráfico anterior vemos varios electrones (bolas rojas) a los que están llegando fotones,ondas portando fotones (amarillos). El electrón ligado al metal con una energía Em al ser extraído alcanza una energía cinética máxima entre la de todos los electrones extraídos.

Un electrón más ligado, situado en Ei requiere más energía de extracción y por lo tanto alcanza una energía cinética menor. Un electrón muy ligado no puede ser extraído, quizá sólo pueda ser promocionado a un nivel superior. Ver gif animado

La explicación que proporciona la teoría de Einstein concuerda con los hechos experimentales.

Si se repartiese la energía de la onda entre los trillones de átomos en los que incide la radiación, tardarían años en acumular la energía necesaria para ser extraídos y, al cabo de ese tiempo, todos los electrones superficiales de los átomos de la superficie abandonarían de golpe el metal,. Por el contrario, se comprueba experimentalmente, que desde que incide la radiación hasta la extracción de los electrones transcurren solamente algunos nanosegundos y sólo son extraídos unos pocos electrones de los millones que componen las capas superficiales.

La energía emitida es discontinua, va en paquetes, tal como había enunciado Plank (que sin embargo creía que se propagaba repartida en la onda, como suponía la teoría clásica). La aportación original de Einstein es que la energía se transmite e impacta de manera discontinua o discreta, en paquetes.

La emisión de electrones es casi instantánea.

Nosotros vamos a hacer nuestra propia célula fotoeléctrica y a comprobar si se emiten más electrones cuando se expone a la luz..Las células fotoeléctricas se hacen depositando una delgada capa de metal alcalino en la superficie interior de un tubo de vacío. Como no disponemos de este material la haremos de óxido de cobre.

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