Física

La interpretación de Einstein para el efecto fotoeléctrico


En 1905, Einstein propuso una nueva teoría para la luz, utilizando el efecto fotoeléctrico para probar si sus ideas eran realmente correctas.

Inicialmente, Planck había restringido el concepto de cuantificación de energía solo a los electrones en las paredes de un cuerpo negro. Para él, cuando irradiaba energía, se extendía por el espacio, al igual que las ondas se extendían en el agua. Einstein, a su vez, propuso que la energía se cuantificara en paquetes concentrados que luego se llamarían fotones.

Einstein centró su atención en la forma corpuscular en la que se emite y absorbe la luz, no en la forma de onda a medida que se propaga. Argumentó que el requisito de Planck de que la energía de las ondas electromagnéticas emitidas por una fuente sea un múltiplo de hf implicaba que al pasar de un estado de energía nhf a un estado cuya energía era (n-1) hf, la fuente emitiría un pulso discreto de radiación electromagnética con hf.

Inicialmente supuso que este paquete de energía estaría ubicado en un pequeño volumen de espacio y permanecería allí mientras se alejaba de la fuente a la velocidad c, la velocidad de la luz.

La energía E del paquete, o más bien del fotón, está relacionada con la frecuencia f de acuerdo con la ecuación:

En el efecto fotoeléctrico, un fotón es completamente absorbido por un electrón en el fotocatodo. Por lo tanto, cuando se emite desde la superficie del metal, la energía cinética de los electrones estará dada por:

Donde:

hf = energía fotónica absorbida incidente;

w = trabajo requerido para eliminar el electrón del metal.

Algunos electrones están más fuertemente unidos que otros, de modo que en el caso del enlace más débil y sin pérdida interna, el fotoelectrón emergerá con la máxima energía cinética, Kmax. Así:

Donde w0, una energía característica del metal, llamada función de trabajo, es la energía mínima requerida para que un electrón cruce la superficie del metal y escape de las fuerzas atractivas que lo unen al metal.

Desde Kmax= eV0, podemos reescribir la ecuación del efecto fotoeléctrico como:

La objeción de que Kmax Dependiendo de la intensidad de la iluminación, la teoría de los fotones está totalmente de acuerdo con los resultados obtenidos experimentalmente: duplicar la intensidad de la luz simplemente duplica el número de fotones y, por lo tanto, duplica la intensidad de la corriente eléctrica, pero esto no cambia la energía hf de cada fotón. .

En cuanto a la existencia de un umbral de frecuencia, esta idea se elimina fácilmente cuando la energía cinética máxima es cero:

Esto significa que un fotón de frecuencia f0 Tiene exactamente la energía necesaria para expulsar fotoelectrones y, por lo tanto, no tiene exceso de energía cinética.

La ausencia de retraso se explica por el hecho de que la potencia requerida se suministra en paquetes concentrados. Por lo tanto, contrariamente a la creencia popular, no se distribuye uniformemente en un área grande, ya que si hay luz que brilla en el cátodo, habrá al menos un fotón para golpearlo, que será absorbido instantáneamente por algún átomo. y provocará la emisión inmediata de un fotón.

Finalmente, el modelo de Einstein establece que un fotón de frecuencia f tiene exactamente la energía hf, no múltiplos de hf. Sin embargo, es evidente que si estamos tratando con n fotones con frecuencia f, la energía a esa frecuencia será nhf.