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Efecto fotoeléctrico

El efecto fotoeléctrico se refiere a lo que sucede cuando se emiten electrones de un material que ha absorbido radiación electromagnética. El físico Albert Einstein fue el primero en describir completamente el efecto, y recibió un Premio Nobel por su trabajo. 


¿Qué es el efecto fotoeléctrico?

S puede usar luz con energía por encima de cierto punto para liberar electrones y liberarlos de una superficie metálica sólida. Cada partícula de luz, llamada fotón, colisiona con un electrón y utiliza parte de su energía para desalojar el electrón. El resto de la energía del fotón se transfiere a la carga negativa libre, llamada fotoelectrón.

Comprender cómo funciona esto revolucionó la física moderna. Las aplicaciones del efecto fotoeléctrico nos trajeron, medidores de luz utilizados en fotografía, paneles solares y copia fotostática.

Cuando un fotón (Y) golpea un electrón (E), lo suelta y crea un fotoelectrón. (Imagen: © general-fmv)

Descubrimiento:

Antes de Einstein, los científicos habían observado el efecto, pero estaban confundidos por el comportamiento porque no entendían completamente la naturaleza de la luz. A finales de 1800, los físicos James Clerk Maxwell en Escocia y Hendrik Lorentz en los Países Bajos determinaron que la luz parece comportarse como una onda. Esto se demostró al ver cómo las ondas de luz demuestran interferencia, difracción y dispersión, que son comunes a todo tipo de ondas (incluidas las ondas en el agua).

Entonces, el argumento de Einstein en 1905 de que la luz también puede comportarse como conjuntos de partículas fue revolucionario porque no encajaba con la teoría clásica de la radiación electromagnética. Otros científicos habían postulado la teoría antes que él, pero Einstein fue el primero en explicar por qué ocurrió el fenómeno y las implicaciones.

Por ejemplo, Heinrich Hertz de Alemania fue la primera persona en ver el efecto fotoeléctrico, en 1887. Descubrió que si iluminaba con luz ultravioleta los electrodos de metal, bajaba el voltaje necesario para hacer que una chispa se moviera detrás de los electrodos, según el astrónomo inglés, David Darling. 

Luego, en 1899, en Inglaterra, JJ Thompson demostró que la luz ultravioleta que golpeaba una superficie metálica provocaba la expulsión de electrones. Una medida cuantitativa del efecto fotoeléctrico se produjo en 1902, con el trabajo de Philipp Lenard (un ex asistente de Hertz.) Estaba claro que la luz tenía propiedades eléctricas, pero lo que estaba sucediendo no estaba claro.

Según Einstein, la luz está compuesta de pequeños paquetes, al principio llamados cuantos y luego fotones. El comportamiento cuántico, bajo el efecto fotoeléctrico, se puede entender a través de un experimento mental. Imagine una canica dando vueltas en un pozo, que sería como un electrón unido a un átomo. Cuando entra un fotón, golpea la canica (o electrón), dándole suficiente energía para escapar del pozo. Esto explica el comportamiento de la luz en superficies metálicas llamativas.

Mientras que Einstein, entonces un joven empleado de patentes en Suiza, explicó el fenómeno en 1905, le tomó 16 años más que se le otorgara el Premio Nobel por su trabajo. Esto se produjo después de que el físico estadounidense Robert Millikan no solo verificara el trabajo, sino que también encontrara una relación entre una de las constantes de Einstein y la constante de Planck. La última constante describe cómo se comportan las partículas y las ondas en el mundo atómico. 

Arthur Compton realizó otros estudios teóricos tempranos sobre el efecto fotoeléctrico en 1922 (quien demostró que los rayos X también podían ser tratados como fotones y ganó el Premio Nobel en 1927), así como Ralph Howard Fowler en 1931 (quien observó relación entre las temperaturas del metal y las corrientes fotoeléctricas).

Aplicaciones:

Si bien la descripción del efecto fotoeléctrico suena muy teórica, existen muchas aplicaciones prácticas de su trabajo. Britannica describe algunos:

Las células fotoeléctricas se usaron originalmente para detectar luz, usando un tubo de vacío que contenía un cátodo, para emitir electrones, y un ánodo, para recoger la corriente resultante. Hoy, estos "fototubos" han avanzado a fotodiodos basados ​​en semiconductores que se utilizan en aplicaciones como las células solares y las telecomunicaciones de fibra óptica.

Los tubos fotomultiplicadores son una variación del fototubo, pero tienen varias placas de metal llamadas dinodos. Los electrones se liberan después de que la luz golpea los cátodos. Los electrones luego caen sobre el primer dinodo, que libera más electrones que caen sobre el segundo dinodo, luego sobre el tercero, el cuarto, y así sucesivamente. Cada dinodo amplifica la corriente; después de unos 10 dinodos, la corriente es lo suficientemente fuerte como para que los fotomultiplicadores detecten incluso fotones individuales. Se usan ejemplos de esto en espectroscopía (que separa la luz en diferentes longitudes de onda para aprender más sobre las composiciones químicas de las estrellas, por ejemplo) y las tomografías computarizadas de tomografía axial (CAT) que examinan el cuerpo.

Pero quizás la aplicación más importante del efecto fotoeléctrico fue desencadenar la revolución cuántica,  que condujo a los físicos a pensar sobre la naturaleza de la luz y la estructura de los átomos de una manera completamente nueva.

Este post pertenece a la serie "Partículas elementales", puedes ver todos los posts aquí


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