Efecto fotoeléctrico
La luz arranca electrones de un metal fotón a fotón. La energía de cada fotón solo depende de su frecuencia, así que por debajo de un umbral no sale nada, por intensa que sea la luz.
Energía cinética máxima frente a la frecuencia
Lecturas
Qué está pasando
La luz llega en paquetes, los fotones, cada uno con energía E = hf = hc/λ. Un electrón del metal absorbe exactamente un fotón y tiene que gastar al menos el trabajo de extracción φ para salir. Lo que sobra se convierte en energía cinética, así que los electrones más rápidos tienen Ec,máx = hf − φ (los demás pierden algo más al salir). Si hf es menor que φ no sale ningún electrón: hay una frecuencia umbral f₀ = φ/h y su longitud de onda umbral. Subir la intensidad manda más fotones por segundo, libera más electrones y aumenta la corriente, pero no hace más rápido a ningún electrón. Si el colector es negativo, frena a los electrones: la corriente baja y llega a cero cuando eV iguala a Ec,máx, el potencial de frenado. Al representar Ec,máx frente a f, cada metal da una recta de pendiente h que corta el eje f en f₀ y el eje de energía en −φ. Esa gráfica fue la comprobación de Millikan de la ecuación de Einstein y la primera medida precisa de h por este camino.
Bachillerato (Física, 2.º): efecto fotoeléctrico, hipótesis de Einstein, energía del fotón E = hf, trabajo de extracción, frecuencia umbral y potencial de frenado.
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Reto
Predice primero: el sodio (φ = 2,28 eV) se ilumina con luz violeta de 400 nm. ¿Qué potencial de frenado lleva justo la corriente a cero? Calcula primero hf en electronvoltios, escribe tu respuesta y mueve la tensión del colector para comprobarlo.
hf = hc/λ = 1240 eV nm / 400 nm = 3,10 eV, así que Ec,máx = 3,10 − 2,28 = 0,82 eV y el potencial de frenado es 0,82 V. Con el colector a −0,82 V la corriente llega a cero.
Preguntas frecuentes
- ¿Por qué la luz roja intensa no arranca electrones del cinc?
- Cada electrón absorbe un solo fotón. Un fotón rojo tiene unos 1,9 eV, menos que el trabajo de extracción del cinc, 4,33 eV, así que ningún fotón puede liberar un electrón. Un haz más intenso solo manda más fotones igual de débiles, y un electrón no puede acumular energía de varios.
- ¿Qué es el potencial de frenado?
- Es la menor tensión inversa en el colector que detiene incluso a los fotoelectrones más rápidos, de modo que la corriente se anula. En ese punto el trabajo contra el campo iguala a la energía cinética máxima: eVₛ = Ec,máx = hf − φ.
- ¿Cómo se obtiene la constante de Planck con el efecto fotoeléctrico?
- Se mide el potencial de frenado a varias frecuencias y se representa eVₛ (o Ec,máx) frente a f. Los puntos forman una recta de pendiente h, y su corte con el eje de energía es −φ.
- ¿La intensidad cambia la energía cinética de los electrones?
- No. La intensidad fija cuántos fotones llegan por segundo, así que cambia la corriente. La energía de cada fotón, y por tanto Ec,máx y el potencial de frenado, solo depende de la frecuencia.