Efecto fotoeléctrico

El estudio de la luz está en el corazón de los mayores descubrimientos científicos. Durante siglos, la humanidad estudió los efectos de la luz sin entender sus causas y menos aún su naturaleza. ¿Cómo la vemos? ¿Cómo viaja la luz y en qué medio? ¿Se propaga al instante? Si no, ¿qué tan rápida es la luz? ¿Es una onda o es una partícula? Precisamente a esta última pregunta responde el experimento del efecto fotoeléctrico.

• Década de 1670: Huygens explica las leyes de la difracción según un modelo de onda.
• 1700: Newton descompone la luz blanca y afirma que la luz es una corriente de partículas en movimiento.
• Década de 1840: Becquerel y Faraday descubren las interacciones entre la materia y la luz.
• Década de 1860: Maxwell descubre la naturaleza electromagnética de la luz y establece la ecuación de una onda que se propaga a la velocidad de 300.000 km.s^-1.
• Década de 1880: Heinrich Hertz encuentra un soporte concluyente para la naturaleza ondulatoria de la luz al generar por primera vez ondas electromagnéticas (ondas de "radio").

Pero el experimento relacionado con el efecto fotoeléctrico plantea un problema que la teoría ondulatoria de la luz no logra explicar. Para este experimento, se ilumina una placa de metal (el cátodo). Bajo ciertas condiciones, uno mide en otra placa (el ánodo) los electrones expulsados ​​del cátodo. Surge una corriente, que se puede medir con un amperímetro. Si la luz es una onda, el trabajo de Maxwell y Hertz dicta que al aumentar la intensidad del campo eléctrico (la amplitud de la onda), se expulsarían más electrones. Se observaría así una corriente mayor.

Eso no es lo que está sucediendo en absoluto. Los datos experimentales revelan que es la frecuencia de la onda incidente la que impacta esta corriente. Por debajo de una frecuencia umbral, no se expulsan electrones independientemente de la intensidad de la luz.

• Década de 1900: Basándose en el trabajo de Max Planck sobre el cuerpo negro y la interacción entre la materia calentada y la emisión de luz, Einstein explica el efecto fotoeléctrico considerando la luz como una corriente de corpúsculos a los que llama "fotones". Cada fotón tiene una cantidad de energía (quanta) cuya energía (E) es proporcional a la frecuencia (ν) según la ley de Planck: E = hν (h es una constante de 6.626.10^-34 J.s).

La energía de salida (Φ) es la energía necesaria para expulsar un electrón del cátodo. Por lo tanto, existe una frecuencia umbral ν₀ por debajo de la cual ningún fotón podrá expulsar electrones. Cualquiera que sea la intensidad de la fuente, para fotones de cierta frecuencia, no hay corriente. Por otro lado, para un fotón que tenga una frecuencia ν > ν₀ se expulsará un electrón e incluso tendrá una energía cinética correspondiente a la diferencia hν - hν₀. La diferencia de potencial U aplicada entre el cátodo y el ánodo solo sirve para acelerar (o ralentizar) estos electrones expulsados​​del cátodo. Einstein recibió el Premio Nobel en 1921 por su explicación del efecto fotoeléctrico. Debemos entender el lado contrario a la intuición de este descubrimiento que afirma que la luz es tanto una onda como una partícula y que ciertos fenómenos se explican solo por uno u otro de estos aspectos.