El efecto fotoeléctrico es uno de los fenómenos más importantes en la historia de la física, ya que su estudio permitió el desarrollo de la mecánica cuántica y la comprensión de la naturaleza de la luz. Su explicación le valió a Albert Einstein el Premio Nobel de Física en 1921.
Su origen viene de las observaciones de los experimentos realizados por Hertz[1] en 1887 y por Hallwachs[2] en 1888, indicaban que si se ilumina con luz adecuada la superficie de diferentes metales se produce una emisión de electrones (Firgura 1). A este fenómeno se le conoce como efecto fotoeléctrico.
Figura 1. Representación esquemática del efecto fotoeléctrico.
Las diferentes investigaciones que se realizaron para entender este fenómeno permitieron recopilar la siguiente información experimental:
- Para cada metal existe una frecuencia límite, conocida como frecuencia umbral, por debajo de la cual no ocurre la fotoemisión.
- Si la frecuencia es adecuada, la fotoemisión ocurre instantáneamente.
- El número de electrones emitidos aumenta con la intensidad de la radiación incidente, y es independiente de la frecuencia de ésta.
- La energía cinética máxima de los electrones emitidos es directamente proporcional a la frecuencia de la radiación incidente, pero independiente de su intensidad.
Al igual que sucedió con el espectro de radiación del cuerpo negro, estas evidencias experimentales tampoco podían explicarse con la física clásica que asume que la naturaleza de la luz es puramente ondulatoria.
Con base en esta teoría no puede explicarse la existencia de una frecuencia umbral (observación A) ya que los electrones absorberían energía de forma continua hasta alcanzar la necesaria para desprenderse de la superficie. En unos casos tomaría más tiempo y en otros menos dependiendo de la intensidad de la radiación y del metal en cuestión que se utilizara (o sea de la energía de amarre de los electrones en cada metal particular) pero al final el efecto siempre ocurriría.
Pensemos por un momento en un ejemplo hipotético pero del mundo conocido, o sea del mundo macroscópico. En este ejemple tenemos un edificio de ladrillos construido a la orilla del mar, donde puede ser alcanzado constantemente por todas las olas, sin importar la altura de estas. Aquí el edificio representa al metal, los ladrillos a los electrones y las olas a la radiación incidente. A nadie se le ocurriría construir un edificio en un lugar como este porque todos sabemos que más tarde o más temprano terminará destruido (los ladrillos ya no estarán formando parte del edificio). No existe un tamaño umbral de la ola que evite esto. Si las olas son grandes caerá más rápido, si son pequeñas demorará más, pero el efecto ocurrirá siempre.
De modo que según la teoría clásica además es necesario un período de tiempo entre el momento en el que la radiación incide sobre la superficie del metal y el momento en que los electrones son emitidos. Más aún, el tiempo necesario para la observación de este fenómeno se incrementaría para un mismo metal en la medida en que la iluminación se hiciera más débil. Esto está en contradicción con la observación B.
Además, en términos de la teoría clásica las observaciones C y D tampoco podían ser explicadas. Regresemos a nuestro ejemplo macroscópico. Tanto si aumenta la intensidad (proporcional a la altura de la ola) o si aumenta la frecuencia de las olas esperaríamos que aumentara el número de ladrillos desprendidos. Sin embargo la observación indicaba que el número de electrones desprendidos era independiente de la frecuencia de la radiación. Pero mucho más desconcertante era la observación de que la energía cinética de los electrones emitidos era independiente de la intensidad y proporcional a la frecuencia. En nuestro ejemplo hipotético esto sería como decir que la velocidad a la que se desprenden los ladrillos depende de la frecuencia con que el edificio es golpeado por las olas pero no de la altura de estas!
En resumen, el efecto fotoeléctrico visto según la física ondulatoria clásica tenía un comportamiento absurdo e imposible de explicar.
La explicación que actualmente conocemos como correcta la propuso Einstein,[1] en 1905.[2] En ella se interpreta el fenómeno de fotoemisión como resultado de la interacción (choque) entre partículas. Dicho en otras palabras, Einstein cambió la noción de que la luz era una onda por una nueva. Propuso que la radiación electromagnética estaba formada por “paquetes” o “partículas” de energía a los que llamó cuantos de energía, y que hoy conocemos como fotones. O sea, la radiación electromagnética está cuantizada.
Cada metal retiene a sus electrones con una fuerza específica, a la que podemos llamar fuerza de amarre. Por lo tanto para cada metal existe un mínimo de energía que es necesario suministrar para desprender sus electrones. Esta es de igual magnitud que la fuerza de amarre. Si la energía de los fotones que inciden sobre la superficie del metal es menor que la energía de amarre el electrón no podrá “arrancado” del metal y no se observará el efecto fotoeléctrico. Einstein propuso que la energía de cada fotón es igual a la frecuencia de la radiación electromagnética asociada, multiplicada por una constante (la constante de Planck). De modo que las radiaciones electromagnéticas capaces de producir el efecto fotoeléctrico tienen que tener una frecuencia mayor o igual a un valor específico, que es característico de cada metal. Esto explicaba la observación relacionada con la frecuencia umbral (A).
Desde este punto de vista, la interacción de la radiación con la superficie de los metales los puede considerarse como choques fotón-electrón. Estos choques pueden ser o no efectivos, pero si lo son el efecto ocurre inmediatamente (observación B).
Por otra parte si la radiación está compuesta por “partículas” de energía, su intensidad representa el número de fotones que llegan a una unidad de área superficial en una unidad de tiempo. Mientras mayor sea la intensidad de la radiación incidente llegará un mayor número de fotones a la superficie metálica, y por lo tanto el aumentará el número de choques fotón-electrón. Si los fotones incidentes tienen la energía adecuada el número de electrones emitidos aumentará con la intensidad de la radiación incidente (observación C)
Teniendo en cuenta además el principio de conservación de la energía, si la energía de los fotones que inciden sobre la superficie del metal es mayor que la energía de amarre, el exceso de energía se convertirá en energía cinética. De modo que a mayor frecuencia de la radiación incidente, mayor energía de los fotones que la componen, mayor exceso de energía después de desprender los electrones, y por lo tanto estos serán emitidos con mayor energía cinética. Lo que explica la observación D.
De modo que la teoría de Einstein sobre el efecto fotoeléctrico permitió explicar de manera satisfactoria todas las observaciones experimentales relacionadas con este fenómeno.
Implicaciones y aplicaciones
El descubrimiento del efecto fotoeléctrico marcó un punto de inflexión en la física, al demostrar que la luz podía comportarse tanto como una onda como una partícula. Esto fue crucial para el desarrollo de la teoría cuántica y llevó al establecimiento del concepto de dualidad onda-partícula.
Hoy en día, el efecto fotoeléctrico tiene múltiples aplicaciones tecnológicas, incluyendo:
- Celdas fotovoltaicas: utilizadas en paneles solares para convertir la luz en electricidad.
- Sensores de luz: empleados en cámaras digitales y dispositivos de visión nocturna.
- Espectroscopía fotoelectrónica: una técnica utilizada para estudiar la composición de materiales.
[1] Albert Einstein (1879-1955). Físico. Conocido principalmente por sus trabajos sobre la relatividad, la relación entre masa y energía, el efecto fotoeléctrico, la teoría del movimiento browniano, la estadística de Bose-Einstein, la paradoja EPR, y la teoría del campo unificado. Premio Nobel de Fisica, en 1991, por sus aportes a la física teórica y en particular por sus contribuciones sobre el efecto fotoeléctrico.
[2] A. Einstein “Über einen die Erzeugung und Verwandlung des Lichtes betreffenden heuristischen Gesichtspunkt (On a Heuristic Point of View Concerning the Production and Transformation of Light)” Annalen der Physik 1905 (ser. 4), 17, 132–148.
[1] Heinrich Rudolf Hertz (1857-1894). Físico. Conocido principalmente por sus trabajos sobre radiación electromagnética y el efecto fotoeléctrico.
[2] Wilhelm Ludwig Franz Hallwachs (1859-1922). Físico. Conocido principalmente por sus trabajos sobre el efecto fotoeléctrico.