Introducción al fotón
El experimento de rendija dobles realizado por Thomas Young en 1801,
aporta pruebas fidedignas de que la luz visible es de naturaleza ondulatoria.
Pero existe otra propiedad de la luz que parece contradecir
que ´´ la luz es una onda ´´
El Fotón
Es la partícula fundamental de las manifestaciones cuánticas del
fenómeno electromagnético. Es la partícula portadora de todas las formas de radiación
electromagnética, incluyendo rayos gamma. Rayos X, la luz ultra violeta etc.
Propiedades del Fotón
— No tiene masa
— Viaja con una velocidad constante c
— Se comporta como una onda en fenómenos como la refracción , sin embargo
se comporta como una partícula cuando interacciona con la materia para
transferir una cantidad fija de energía.
— Vida media estable
— No tiene antipartícula
— Tiene carga eléctrica y colora nula
La luz como fotón
Einstein en 1905 basándose en el
trabajo de Planck propuso que la energía E relacionada con un foton es
E = hf =
hc/ λ
En 1917 einstein fue mas allá, y a cada foton le asigno un momento
lineal de magnitud
p = h/λ
En las ecuaciones anteriores f y λ son respectivamente, la frecuencia y la longitud de
onda de la luz incidente, h es la constante de planck.
h = 6.626 x 10-
34 j.s
Emisión y absorción de fotones
— Los fotones
se emiten en muchos procesos naturales, por ejemplo, cuando se acelera una
partícula con carga eléctrica, durante una transición molecular, atómica o
nuclear a un nivel de energía más bajo, o cuando se aniquila una
partícula con su antipartícula.
— Los fotones
se absorben en los procesos de reversión
temporal que se corresponden con los ya mencionados
El efecto fotoeléctrico
Si dejamos que una luz monocromática iniciada sobre una superficie
metálica, los electrones pueden ser arrojados de ella.
Si producimos una diferencia de potencial adecuada entre el emisor y el
receptor, podemos recoger los electrones lanzados y medirlos como una corriente
fotoeléctrica i en el circuito externo.
Si el receptor esta en un potencial mas alto que el emisor y la diferencia
es bastante grande la corriente alcanza
una constante
Si reducimos a cero la diferencia, la corriente eléctrica no disminuye a
cerro. Pero si invertimos el signo y la diferencia es lo bastante grande,
inclusive los electrones con mayor energía son devueltos al emisor sin chocar
con el receptor y la corriente eléctrica respectivamente se reduce a cero. El
modulo de esta diferencia de potencial negativa recibe el nombre de potencial
de frenado.
Cuando Δv es negativa, los
electrones pierden energía cinética y adquieren energía potencial al pasar del
emisor el receptor; el cambio de esta ultima en ellos es Δu= qΔv= -eΔv, es una cantidad
positiva cuando Δv es negativa . Los electrones con mayor energía poseen
energía cinética Kmax. El potencial de
frenado corresponde a la máxima diferencia de potencial necesaria para que
pierdan toda su energía cinética. La conservación de energía (Δu= - Δv) nos da entonces
eVo = Kmax
Al comparar las curvas a y b se
advierte el primero de los tres hechos .
1- si la luz de determinada longitud de onda incide sobre un emisor, el potencial de
frenado no depende de la intensidad
La grafica representa el potencial de frenado en función de la
frecuencia, con lo cual llegamos al segundo hecho.
2- la frecuencia de la luz que incide sobre un emisor debe ser mayor que
la de cierto valor fo. En caso contrario no se producirá el efecto
fotoeléctrico.
Esta frecuencia de corte fo solo depende de la materia del material de
cual esta hecho el emisor
La tercera y ultima es que los electrones se emiten de inmediato una vez
que la luz incidente llega a la
superficie del emisor.
Experimentalmente esta probado que es un lapso aproximado de
0.000000001s
Análisis del efecto fotoeléctrico de Einstein
Einstein demostró que el foton explicaba los tres hechos antes mencionados.
Y escribió la siguiente ecuación, conocida hoy como la ecuación de Einstein:
hf
= Ф + Kmax
Esta ecuación indica que un foton individual lleva una energía hf al
interior del emisor, donde se transfiere esencialmente a un electrón. Parte de
esta energía , llamada función de trabajo Ф del material que constituye el emisor, se consume al hacer que el electrón escape del
emisor; y Kmax
que es la energía máxima que el electrón pose una vez que sale del emisor
Consideremos como la ecuación coincide con los tres hechos experimentales
de la fotoelectricidad que acabamos de describir:
Hecho 1 :esto se infiere porque si duplicamos la intensidad de la luz incidente, no hacemos mas que duplicar la cantidad de
interacciones fotón – electrón
Hecho 2: al combinar ecuaciones llegamos a
Vo = (h/e)f
– (Ф/e)
tanto h como e son constante físicas fundamentales y Ф es una constante de determinado materia. Por lo que
la ecuación predice que Vo en función de fe en un emisor debería ser una línea
recte con pendiente h/e.
Efecto fotoeléctrico en la actualidad
El efecto fotoeléctrico es la base de
la producción de energía eléctrica
por radiación solar y del aprovechamiento energético de la energía solar. El efecto
fotoeléctrico se utiliza también para la fabricación de células utilizadas en
los detectores de llama de las calderas de las grandes centrales
termoeléctricas. Este efecto es también el principio de funcionamiento de los
sensores utilizados en las cámaras digitales. También se utiliza en diodos fotosensibles tales
como los que se utilizan en las células
fotovoltaicas y en electroscopios o electrómetros. En la
actualidad los materiales fotosensibles más utilizados son, aparte de los
derivados del cobre
(ahora en menor uso), el silicio,
que produce corrientes eléctricas mayores.
