Iniciar sesión Empieza a estudiar
La app de estudio todo en uno
4.8 • +11 mil reviews
Más de 3 millones de descargas
Free
|
|

Efecto Fotoeléctrico

Efecto Fotoeléctrico

Seguramente hayas oído hablar de Albert Einstein, el padre de la teoría de la relatividad, entre otras muchas contribuciones. Sin embargo, es menos sabido el hecho de que Albert Einstein no recibió el premio Nobel de física por el desarrollo de la teoría de relatividad, sino por ofrecer la primera descripción teórica del efecto fotoeléctrico, que corroboró aún más las tesis propuestas por Planck sobre la naturaleza de la luz que darían lugar al nacimiento de la física cuántica.

Definición e historia del efecto fotoeléctrico

El efecto fotoeléctrico es el nombre que recibe la emisión de electrones en un material cuando incide radiación electromagnética, como la luz.

La energía de la radiación electromagnética depende de su longitud de onda y de su frecuencia. Una mayor frecuencia/menor longitud de onda hacen que se expulse una mayor cantidad de electrones.

Un fotón necesita una cantidad mínima de energía llamada función de trabajopara liberar un electrón de la materia en la que incide. Una vez superada la cantidad mínima de energía, el resto de la energía se utiliza para comunicar energía cinética al electrón, de manera que adquiera una cierta velocidad al ser expulsado. Si el fotón tiene menos energía que la función de trabajo (la radiación electromagnética no alcanza la frecuencia/longitud de onda correspondiente), la materia no expulsa electrones, pues no hay suficiente energía para hacer que se desprendan.

El efecto fotoeléctrico fue observado por primera vez por Heinrich Hertz, quien no fue logró entender por qué ocurría. Experimentos posteriores realizados por otros científicos ayudaron a explicar el fenómeno que ahora se conoce como efecto fotoeléctrico. Los desarrollos teóricos de Albert Einstein y Max Planck explicaron el fenómeno, asumiendo que la luz, como radiación, estaba compuesta por partículas discretas con cantidades fijas de energía (que hoy conocemos como fotones).

Aunque el efecto fotoeléctrico puede observarse en multitud de situaciones, el mejor ejemplo lo constituyen los experimentos en los que se observó el efecto fotoeléctrico por primera vez:

El efecto fotoeléctrico Definición e historia del efecto fotoeléctrico StudySmarterFig. 1: Con este montaje tan sencillo, en el que se hacía incidir un haz de luz en una placa metálica, se observó que de esta se emitian electrones bajo ciertas condiciones.

Se expulsan electrones de un material metálico, después de adquirir energía suficiente para escapar de un átomo, gracias a la luz con alta energía que incide en el material. Los electrones expulsados del material se denominan fotoelectrones.

Dependencia energética de la frecuencia

Los experimentos realizados para medir cómo afecta la luz a la emisión de electrones de las placas arrojaron dos resultados principales:

  1. La intensidad de la luz no tenía ningún efecto sobre la energía de los electrones emitidos.

  2. La frecuencia de la luz afecta a la energía de los electrones emitidos.

    • Cuanto más alta es la frecuencia, más rápidos son emitidos los electrones desde el material.

La función de trabajo

La cantidad de energía necesaria para liberar un electrón con velocidad cinética nula se denomina función de trabajo; es diferente para cada material.

La expresión de la función de trabajo es la siguiente:

\[\phi=h\cdot f\]

Donde

  • \(\phi\) es la función de trabajo.
  • \(f\) es la frecuencia mínima de la radiación incidente para producir desprendimiento de electrones.
  • \(h\) es la constante de Planck, que tiene un valor de \(6,6207015\cdot 10^{-34}\,\,\mathrm{J/Hz}\).

La función de trabajo se suele medir en electronvoltios (abreviados como \(\mathrm{eV}\)), una unidad de energía que se calcula a partir de la unidad del sistema internacional, según la siguiente equivalencia:

\[1\,\,\mathrm{eV}=1,6\cdot 10^{-19}\,\,\mathrm{J}\]

Albert Einstein y el efecto fotoeléctrico

Los primeros experimentos que estudiaron el efecto fotoeléctrico no partían de un modelo teórico que lograse explicar por qué el brillo de la luz no afectaba a los electrones emitidos. La velocidad de los electrones no cambiaba cuando las luces eran más brillantes; los electrones únicamente se movían más rápido cuando se utilizaban frecuencias de luz más altas.

Albert Einstein descubrió que el aumento de la energía cinética que afectaba a los fotoelectrones era proporcional al aumento de la frecuencia de la luz. Si la conservación de la energía se aplicaba al sistema, entonces la energía de la luz tenía que ser proporcional a su frecuencia. Esto llevó a postular que la energía de la luz dependía linealmente de la frecuencia, a través de una constante de proporcionalidad, la constante de Planck.

Albert Einstein dedujo, además, que al no depender el efecto fotoeléctrico de la intensidad de la luz, la luz debía estar formada por pequeños cuerpos cuya energía es la que depende de la frecuencia. Este postulado implicaba que aumentar la intensidad de la luz aumentaba la cantidad de pequeños cuerpos, pero no su energía. Si la luz no estuviese formada por pequeños constituyentes, se podría acumular su energía para liberar electrones, independientemente de la frecuencia. Sin embargo, si está formada por pequeñas entidades, cada una de ellas es la encargada de liberar un único electrón comunicándole energía; que pueda hacerlo dependerá de su energía individual.

Esto llevó a Albert Einstein a la siguiente fórmula para la energía de cada uno de estos cuerpos (fotones):

\[\text{E}_{fotón}=h\cdot f\].

¿Cómo se relacionan la teoría fotónica de la luz y el efecto fotoeléctrico?

Si conectamos la explicación de Einstein sobre la luz y el efecto fotoeléctrico descubierto por experimentos anteriores, llegamos a la expresión que explica el efecto fotoeléctrico.

Veamos:

Se necesita una determinada cantidad de energía para extraer un electrón de la placa metálica. Un fotón debe proporcionar esta cantidad mínima de energía conocida como función de trabajo:

\[\phi=h\cdot f\]

Si la energía supera este valor mínimo, obtenemos la función de trabajo más un exceso:

\[E=\phi+\text{exceso}\]

El exceso de energía que se transfiere al electrón es la energía del fotón en forma de energía cinética:

\[\begin{align} E_{fotón}&=\phi+E_{cin}\\h\cdot f&=\phi+E_{cin} \end{align} \].

El efecto fotoeléctrico Teoría de la luz StudySmarterFig. 2: El efecto fotoeléctrico se puede describir, utilizando la conservación de la energía entre la energía del fotón que impacta en el electrón en la placa metálica, la energía utilizada para sacar el electrón de la placa metálica o φ y el exceso de energía que se transforma en energía cinética.

Ejemplo del efecto fotoeléctrico

Imagina que tienes una partícula emitida por una placa de cobre que tiene una energía cinética de 20 eV. Deseas determinar la energía y la frecuencia del fotón que ha liberado el electrón.

Entonces:

La función de trabajo del cobre (Cu) es de \(5\,\,\mathrm{eV}\). Esta es la energía necesaria para liberar un electrón.

\[\phi=5\,\,\mathrm{eV}\]

Si la energía cinética del electrón tras el impacto del fotón es de \(2 \,\, \mathrm{eV}\), entonces la energía del fotón debe ser la suma de ambas:

\[E_{fotón}=5\,\,\mathrm{eV}+2\,\,\mathrm{eV}=7\,\,\mathrm{eV}\]

Un electronvoltio (\(\mathrm{eV}\)) es igual a \(1,6\cdot 10^{-19}\,\,\mathrm{J}\), que multiplicamos por \(7\):

\[E_{fotón}=11,22\cdot 10^{-19}\,\,\mathrm{J}\]

Si la energía del fotón es igual a la constante de Planck y a la frecuencia del fotón, podemos sustituir por:

\[h\cdot f=11,22\cdot 10^{-19}\,\,\mathrm{J}\]

La constante de Planck es \(6,62\cdot 10^{-34}\,\,\mathrm{J/Hz}\). Usando esto, podemos resolver la frecuencia del fotón:

\[f=\dfrac{11,22\cdot 10^{-19}\,\,\mathrm{J}}{6,62\cdot 10^{-34}\,\,\mathrm{J/Hz}}\]

Esto nos da la frecuencia del fotón:

\[f=1,69\cdot 10^{15}\,\,\mathrm{Hz}.\]

Aplicaciones del efecto fotoeléctrico

El efecto fotoeléctrico tiene muchas aplicaciones hoy en día, ya que se da en muchas tecnologías cotidianas. Probablemente, la aplicación más importante es la de las celdas solares, que utilizan este efecto con tal de producir energía solar fotovoltaica. También es útil para explicar algunos funcionamientos de cámaras, calculadoras y relojes, entre otros.

Fotoelectricidad - Puntos clave

  • El efecto fotoeléctrico es un fenómeno que describe la emisión de electrones de una placa metálica causada por el impacto de la radiación electromagnética, también conocida como fotones.

  • Para liberar un fotoelectrón, debe aplicarse a la placa una determinada cantidad de energía, conocida como función de trabajo.

  • La relación entre la energía cinética y la frecuencia significa que la energía de los fotones es directamente proporcional a su frecuencia.

  • Los primeros experimentos usaban una luz más brillante, pensando que la intensidad estaba relacionada con la energía de los electrones. Sin embargo, esto resultó ser erróneo.

Preguntas frecuentes sobre Efecto Fotoeléctrico

El efecto fotoeléctrico es el nombre que recibe la emisión de electrones en un material cuando incide radiación electromagnética, como la luz.  

Pese a ser observado por primera vez por Heinrich Hertz, fueron Albert Einstein y Max Planck quienes explicaron el fenómeno. 

La descripción del efecto fotoeléctrico de Einstein corroboró las tesis propuestas por Planck sobre la naturaleza discreta de la luz. Einstein describe que la energía de los fotones es proporcional a su frecuencia.

La conservación de la energía.

El efecto fotoeléctrico tiene muchas aplicaciones, ya que se da en muchas tecnologías cotidianas. 

  • Probablemente, la aplicación más importante es la de las células solares que utilizan este efecto con tal de producir energía solar fotovoltaica. 
  • También es útil para explicar algunos funcionamientos de cámaras, calculadoras y relojes, entre otros. 

Cuestionario final de Efecto Fotoeléctrico

Pregunta

¿Qué es el efecto fotoeléctrico?

Mostrar respuesta

Answer

Es la emisión de electrones tras el impacto de una luz de alta frecuencia en una placa metálica.

Show question

Pregunta

¿Quién observó por primera vez el efecto fotoeléctrico?

Mostrar respuesta

Answer

Heinrich Hertz.

Show question

Pregunta

Nombra dos científicos que contribuyeron a explicar la teoría del efecto fotoeléctrico

Mostrar respuesta

Answer

Albert Einstein y Max Planck.

Show question

Pregunta

¿Qué es la función de trabajo?

Mostrar respuesta

Answer

Es la energía mínima necesaria para liberar un electrón mediante un fotón de alta frecuencia.

Show question

Pregunta

¿Qué luz utilizó Hertz en sus experimentos?

Mostrar respuesta

Answer

La luz ultravioleta.

Show question

Pregunta

¿La energía de la luz depende de la luminosidad?

Mostrar respuesta

Answer

No, no depende.

Show question

Pregunta

¿Qué propiedad de la luz se encontró que al aumentarse expulsaba los electrones más fácilmente?

Mostrar respuesta

Answer

La frecuencia.

Show question

Pregunta

¿La energía de la luz depende de su frecuencia?

Mostrar respuesta

Answer

Sí, lo hace.

Show question

Pregunta

La energía de un fotón es igual al producto de una constante y una variable. ¿Puedes nombrarlas?

Mostrar respuesta

Answer

La constante de Planck y la frecuencia del fotón.

Show question

Pregunta

La energía del fotón que libera el electrón se divide en dos. Una parte, la función de trabajo, elimina el electrón del metal. ¿Qué ocurre con el resto de la energía?

Mostrar respuesta

Answer

Se convierte en la energía cinética del electrón emitido.

Show question

Pregunta

Si la frecuencia del fotón aumenta, ¿qué ocurre con los fotoelectrones emitidos por el material?

Mostrar respuesta

Answer

Se mueven más rápido.

Show question

Pregunta

La función de trabajo marca el valor de la energía a partir de la cual se empiezan a emitir electrones. ¿Verdadero o falso?

Mostrar respuesta

Answer

Verdadero.

Show question

Pregunta

¿Qué ocurre si se hace brillar una luz con una energía inferior a la de la función de trabajo sobre la placa de cobre y luego se aumenta la luminosidad?

Mostrar respuesta

Answer

Nada, ya que la energía no depende de la intensidad de la luz.

Show question

Pregunta

¿Qué ocurre si se hace brillar una luz con una energía inferior a la función de trabajo sobre la placa de cobre y luego se aumenta considerablemente la frecuencia?

Mostrar respuesta

Answer

Algunos electrones empezarían a ser expulsados.

Show question

Pregunta

Si la función de trabajo de la plata puede tomarse como 4,5 eV y un fotón de 4,0 eV incide sobre ella, ¿emitirá un electrón?

Mostrar respuesta

Answer

No, no lo hará, ya que la energía es menor que la función de trabajo.

Show question

60%

de los usuarios no aprueban el cuestionario de Efecto Fotoeléctrico... ¿Lo conseguirás tú?

Empezar cuestionario

Scopri i migliori contenuti per le tue materie

No hay necesidad de copiar si tienes todo lo necesario para triunfar. Todo en una sola app.

Plan de estudios

Siempre preparado y a tiempo con planes de estudio individualizados.

Cuestionarios

Pon a prueba tus conocimientos con cuestionarios entretenidos.

Flashcards

Crea y encuentra fichas de repaso en tiempo récord.

Apuntes

Crea apuntes organizados más rápido que nunca.

Sets de estudio

Todos tus materiales de estudio en un solo lugar.

Documentos

Sube todos los documentos que quieras y guárdalos online.

Análisis de estudio

Identifica cuáles son tus puntos fuertes y débiles a la hora de estudiar.

Objetivos semanales

Fíjate objetivos de estudio y gana puntos al alcanzarlos.

Recordatorios

Deja de procrastinar con nuestros recordatorios de estudio.

Premios

Gana puntos, desbloquea insignias y sube de nivel mientras estudias.

Magic Marker

Cree tarjetas didácticas o flashcards de forma automática.

Formato inteligente

Crea apuntes y resúmenes organizados con nuestras plantillas.

Regístrate para poder subrayar y tomar apuntes. Es 100% gratis.

Get FREE ACCESS to all of our study material, tailor-made!

Over 10 million students from across the world are already learning smarter.

Get Started for Free
Illustration