2006-11-30

El efecto fotoeléctrico: el problema

Fue en los años de 1886 y 1887 cuando Heinrich Hertz desarrolló el primer experimento que confirmó la existencia de ondas electromagnéticas y la teoría de Maxwell de la propagación electromagnética de la luz. Sin embargo, este mismo experimento llevó a Einstein, varios años después, a contradecir estas mismas teorías de la radiación y otros aspectos básicos del electromagnetismo.

Hertz había desarrollado un experimento en el que se producía un arco fotovoltaico, vamos un chispazo, entre dos placas conectadas, cuando se le daba radiación electromagnética, pero no lo acababa de ver claro, así que decidió hacer el experimento a oscuras, para poder observar el chispazo mejor. Colocandolo todo en un ambiente sin luz exterior, se dió cuenta de que ahora, sus placas tenían que estar más cerca si quería que saltase el chispazo. Conclusión: la iluminación externa tiene algo que decir en el fenómeno.

Algún tiempo después, fue Hallwachs quien se dió cuenta de que era la luz ultravioleta al incidir sobre un cuerpo perdía cargas negativas, mientras que no afectaba a las cargas positivas. Diez años mas tarde, J. Thomson y P. Lenard demostraron independientemente, que la acción de la luz era la causa de al emisión de cargas negativas libres por la superficie del metal.

Dentro de un recipiente de cristal, en el que se ha hecho el vacío, se introducen dos placas metálicas, que se conectan al circuito. Sobre A, incide una luz monocromática que podemos regular a nuestro antojo, de manera que se produce el efecto fotoeléctrico, es decir, se desprenden partículas con carga negativa, electrones. Estos electrones pueden ser medidos como una corriente eléctrica si son atraidos por la copa metálica B generando así una diferencia de potencial entre A y B. El amperímetro G sirve para observar esta corriente eléctrica. El sistema de conexiones y pilas de la parte baja de la figura sirve para regular la diferencia de potencial que queramos aplicar nosotros, manualmente, a las placas.

Si hacemos esta diferencia de potencial lo bastante grande, haciendo que en B esé el polo positivo, los electrones serán atraidos por esta placa y la intensidad medida en G llegará a un punto fijo en el que no aumentará. Sin embargo, si cambiamos la polaridad y hacemos que B sea el polo negativo, la intensidad no se reduce a cero de golpe, sino que hay que aumentar el potencial gradualmente, haciendo que la intensidad medida caiga poco a poco hasta llegar a cero. Cuando el potencial aplicado consigue detener del todo los electrones, se dice que estamos aplicando un potencial de frenado V0. Pero lo interesante de esta parte del experimento es que podemos deducir, que cuando los electrones escapan de la placa, lo hacen con una cierta energía cinética, de manera que aunque tengan una carga negativa enfrente (la placa B), todavía puedan contrarrestarla, hasta que el potencial que nosotros le damos hace que se frenen antes de llegar a ella. Justamente, el potencial de frenado multiplicado por la carga del electrón será la energía cinética de ese electrón al abandonar el metal

Kmax=e·V0

Esto no tiene nada de raro, si no fuera por que esta energía cinética máxima, no depende de la intensidad de la luz con la que iluminemos A. Uno podría suponer que si la intensidad de la luz es mayor, entonces la energía de los electrones arrancados también es mayor, pero experimentalmente se ve claramente que no.

Pero las cosas no quedan ahí, porque según el electromagnetismo, cualquier tipo de luz, con la única condición de ser suficientemente intensa, tendría energía suficiente como para arrancar electrones del metal, y sin embargo, el potencial de frenado no solo no depende de la intensidad de la luz, sino que sí que depende de su frecuencia. Como ya experimentó Hertz, cuando hay presente luz ultravioleta, los electrones se arrancan más facilmente y según bajamos la frecuencia de la luz, llega un momento en el que los electrones dejan de desprenderse del metal.

Una tercera pega a este fenómeno, un poco más fina, dice que si para la radiación electromagnética, la energía que transfiere está relacionada con el area sobre la que incide, si usamos luz difusa, los electrones tardarán un tiempo entre que se enciende la luz, y recopilan la suficiente energía como escapar del metal. Sin embargo, para desgracia de experimentadores, inmediatamente incide luz, por difusa que esta sea, comienza a pasar corriente, sin ningún lapso de tiempo.

Con estos tres problemas, el fenómeno del efecto fotoeléctrico tenía las de convertirse en otro caso similar al "cuerpo negro", y de hecho, ambos están relacionados con lo mismo. La naturaleza de la luz.

Proximamente, la solución.

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