Efecto fotoeléctrico
Ilumina la superficie de un metal y, en las condiciones adecuadas, expulsará electrones —un resultado tercamente extraño cuando la física clásica intentó explicarlo—. La teoría ondulatoria del siglo XIX predecía que una luz más tenue también debería expulsar electrones, solo que más despacio, dando tiempo suficiente para acumular energía. Los experimentos reales mostraron lo contrario: por debajo de una frecuencia de corte precisa, ninguna intensidad ni ninguna espera produce un solo electrón, mientras que incluso la luz más débil por encima de esa frecuencia expulsa electrones al instante. La explicación de Einstein de 1905 —que la propia luz llega en paquetes discretos de energía, más tarde llamados fotones— resolvió el enigma y se convirtió en uno de los resultados fundacionales de la mecánica cuántica, por el cual ganó el Premio Nobel de Física de 1921.
La luz no golpea un metal como una onda suave: llega en pequeños paquetes llamados fotones, cada uno con una cantidad fija de energía. Un electrón escapa solo si la energía de un único fotón es al menos tan grande como el trabajo de salida del metal, la energía que normalmente sujeta al electrón. Cualquier energía sobrante se convierte en la energía cinética del electrón al salir despedido.
La fórmula
KEₘₐₓ = h · f − φ
- KEₘₐₓ — energía cinética máxima (eV): la mayor energía que se lleva un electrón arrancado
- h — constante de Planck (eV·s): constante diminuta que une la frecuencia de un fotón con su energía
- f — frecuencia (Hz): cuántas ondas de luz llegan cada segundo
- φ — trabajo de salida (eV): la energía mínima necesaria para arrancar un electrón del metal
Ejemplo resuelto
Un fotón que golpea una superficie de sodio lleva 3.1 eV de energía. El trabajo de salida del sodio es 2.1 eV. ¿Cuál es la energía cinética máxima de un electrón arrancado?
- hf = 3.1 eV
- φ = 2.1 eV
- KEₘₐₓ = h · f − φ
- KEₘₐₓ = 3.1 eV − 2.1 eV
KEₘₐₓ = 1.0 eV
Ponte a prueba
Ahora se cambia la fuente por otra de mayor frecuencia, que entrega fotones de 3.6 eV a la misma superficie de sodio (trabajo de salida sigue en 2.1 eV). ¿Cuál es la nueva energía cinética máxima?
- 5.7 eV
- Respuesta correcta: 1.5 eV
- 1.0 eV
¡Sí! KEₘₐₓ = 3.6 eV − 2.1 eV = 1.5 eV.
Supón que la energía del fotón hf es menor que el trabajo de salida φ del metal. ¿Qué ocurre?
- El electrón es arrancado pero más lento
- El electrón es arrancado con energía cinética negativa
- Respuesta correcta: No escapa ningún electrón
Correcto — por debajo del trabajo de salida, un único fotón no puede aportar suficiente energía, así que ningún electrón escapa por muy intensa que sea la luz.
Dónde lo ves
Un panel solar en un tejado es este efecto trabajando para ganarse la vida: los fotones de la luz del sol golpean el silicio y cada uno arranca como máximo un electrón, y esos electrones liberados fluyen hacia fuera como corriente. Las farolas que detectan el anochecer y las viejas puertas con fotocélula funcionan con el mismo intercambio de un fotón por electrón.
Errores comunes
El error clásico es pensar que una luz más brillante debería arrancar los electrones con más fuerza — la intensidad solo produce MÁS electrones; la energía de cada uno depende únicamente de la frecuencia del fotón, a través de KEₘₐₓ = h · f − φ. Y por debajo del umbral no ocurre nada, por muy brillante que sea la luz: la energía cinética no puede ser negativa, así que si hf es menor que el trabajo de salida φ, no escapa ningún electrón en absoluto. Por encima del umbral, resta: fotones de 3.6 eV sobre sodio (φ = 2.1 eV) expulsan electrones con 1.5 eV.
Cómo se relaciona
Esta es la primera grieta de la física clásica — la luz comportándose como partículas — y la puerta a todo el módulo de física moderna: la dispersión de Compton, que viene a continuación, muestra que esos fotones llevan momento como bolas de billar, y la dualidad onda-partícula que termina en las ondas de materia empieza justo aquí.