atomTIC Sexta Sesión

El efecto fotoeléctrico

La importancia histórica del efecto fotoeléctrico en el desarrollo de la física cuántica es un tópico que responde fielmente a la realidad. Aún cuando las primeras ideas de cuantización habían sido ya introducidas por Planck para resolver el problema de la emisión del cuerpo negro, la Teoría del fotón de Einstein marco el punto de partida de una nueva forma de entender la interacción entre materia y radiación electromagnética, que ponía en tela de juicio la concepción ondulatoria de esta última. [ref hist 1, ref hist 2]

La problemática fundamental que plantea la explicación del efecto fotoeléctrico es cómo conseguir que los alumnos entiendan que los hechos experimentales que se discuten cuestionan la concepción ondulatoria de la luz. Creemos que el origen de la dificultad radica en que los alumnos no han elaborado, antes de enfrentarse con el efecto fotoeléctrico, un modelo ondulatorio de interacción entre radiación electromagnética y materia.

Para abordar el estudio del efecto fotoeléctrico, teniendo en cuenta la naturaleza de la dificultad antes expuesta, proponemos una secuencia de actividades que comentamos a continuación. Sugerimos su desarrollo íntegro en la asignatura de Física de segundo de bachillerato y adaptaciones para otras asignaturas. El esquema es el siguiente:

1. Elaboración de un modelo ondulatorio de interacción entre radiación electromagnética y materia.

2. Resultados experimentales del efecto fotoeléctrico que contradicen el modelo ondulatorio de interacción entre radiación electromagnética y materia.

3. Teoría del fotón y su comprobación experimental.

 

1. Elaboración de un modelo ondulatorio de interacción entre radiación electromagnética y materia

Antes de abordar el efecto fotoeléctrico es importante que los alumnos sean capaces de utilizar un modelo cualitativo de interacción entre radiación electromagnética y materia que permita explicar fenómenos sencillos. Es suficiente con tratar, por ejemplo, las siguientes tres situaciones: (a) Un cuerpo caliente emite luz. (b) La luz al incidir sobre un cuerpo lo calienta. (c) Un espejo refleja la luz.

El objetivo es que los alumnos se habitúen a utilizar de forma significativa el siguiente esquema de razonamiento

Carga eléctrica oscilante
Genera
Oscilación del campo electromagnético
Produce
Oscilación de
las cargas eléctricas de la materia sobre la que incide

El siguiente applet nos puede servir de apoyo para visualizar el proceso. Con el ratón se puede desplazar la carga negativa de la derecha hacia arriba o hacia abajo. Cuando se suelta comienza a oscilar y se genera una onda electromagnética, la cual, al incidir sobre la carga positiva de la izquierda, le produce una oscilación.

Este applet estápublicado en el sitioFísica 2000. En la versión en castellano (enlace al final de la página principal en inglés) lo encontrarás en la sección Jornadas de la Ciencia, apartado Ondas electromagnéticas, página Cargas Oscilantes y Ondas Electromagnéticas. El enlace directo a esta página (no siempre permite acceder) es
http://www.maloka.org/f2000/waves_particles/wavpart4.html.

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En el mismo sitio Física 2000 puedes encontrar una explicación del funcionamiento de los hornos de microondas que ilustra la capacidad explicativa del sencillo modelo propuesto. En la versión en castellano (enlace al final de la página principal en inglés) lo encontrarás en la sección El legado de Einstein, apartado Hornos de microondas , página Qué le hacen las Microondas al Agua?. El enlace directo a esta página (no siempre permite acceder) es
http://www.maloka.org/f2000/microwaves/water_rotates.html

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2. Resultados experimentales del efecto fotoeléctrico que contradicen el modelo ondulatorio de interacción entre radiación electromagnética y materia.

Para que los alumnos entiendan la problemática que plantea el efecto fotoeléctrico, creemos que lo más adecuado es comenzar estudiando como puede explicar este fenómeno el modelo ondulatorio de interacción entre radiación electromagnética y materia. La idea consiste en presentar la evidencia de que la radiación electromagnética es capaz de extraer electrones de un metal y emplear el modelo propuesto para predecir de que dependerá la energía cinética con la que el electrón salta del metal. (En la asignatura de física de segundo de bachillerato se puede establecer una analogía entre la extracción del electrón y la crisis elástica que puede sufrir una estructura debido al fenómeno de la resonancia). El objetivo es dejar claro que, según el modelo ondulatorio, la energía con la que son extraído los electrones debe depender de la amplitud de la oscilación electromagnética que les afecta, es decir, de la intensidad de la misma.

Una vez establecida cual es la predicción del modelo ondulatorio, se puede presentar la evidencia más fuerte en contra de la misma: la existencia de una frecuencia umbral por debajo de la cual el fenómeno no ocurre, independientemente de cual sea la intensidad de luz empleada. Esta contradicción es suficiente (lo fue históricamente) para justificar la introducción de la teoría del fotón.

3. Teoría del fotón y su comprobación experimental

La teoría del fotón aparece como una alternativa al modelo ondulatorio de interacción entre radiación electromagnética y materia. Según el modelo ondulatorio la transferencia de energía entre las ondas electromagnéticas y las cargas es un proceso continuo: la onda electromagnética, al hacer vibrar la carga, le aporta energía durante el tiempo que este incidiendo.

La teoría del fotón propone que la transferencia de energía entre la radiación electromagnética y la materia es un proceso discreto:

1. Considera que la energía de la radiación electromagnética está distribuida de forma discontinua, agrupada en paquetes llamados fotones, cuyo tamaño depende solo la frecuencia de la radiación (es mayor cuanto mayor es la frecuencia).

2. Establece que cuando la radiación electromagnética interacciona con una carga, le transfiere a ésta un fotón, y solo un fotón, en un proceso cuya duración es despreciable.

Fuera de la asignatura de segundo de bachillerato no sería preciso introducir la ecuación de Einstein. Con los postulados anteriores se puede justificar de forma cualitativa la existencia de la frecuencia umbral.

En la signatura de segundo de bachillerato si que es necesario deducir la ecuación de Einstein y plantear como podría comprobarse experimentalmente su validez.

La deducción de la ecuación de Einstein se puede hacer empleando diferentes tipos de argumentación. En segundo de bachillerato quizá lo más adecuado es una aplicación rigurosa de la conservación de la energía (ver opción). El resultado obtenido establece que la energía cinética de los electrones emitidos, Ec, depende de la frecuencia de la radiación incidente según la ecuación (donde W es el trabajo de extracción y h la constante de Planck)

A los alumnos les entraña bastante dificultad comprender el montaje experimental requerido para la comprobación de esta ecuación. La cuestión no debe obvierse, ya que la mayoría de los problemas que se les pide resolver, implícitamente se plantean en el contexto de dicha situación experimental. Pueden resultar provechosas las siguientes actuaciones:

1. Después de deducir la fórmula de Einstein, se plantea a los alumnos que piensen alguna forma de medir la energía cinética de los electrones emitidos. Como en el tema de electromagnetismo se ha trabajado la descripción energética del movimiento de cargas en campos eléctricos, hay alumnos que sugieren la utilización de un potencial de frenado (puede que sea necesario dar alguna pista).

2. La explicación del montaje experimental se hace con un prototipo del mismo, que se puede construir con una placa fotovoltaica (hay en los departamentos de tecnología). El objetivo no es comprobar nada (la respuesta de la placa no es la misma que la de una célula). Se trata de ver como al aumentar el potencial de frenado se reduce la intensidad de la corriente generada por la placa.

3. Finalmente se simula la experiencia de Milikan que permitió comprobar experimentalmente la ecuación de Einstein.

Para la realización simulada de la experiencia de Milikan se pueden utilizar los applets incluidos en el curso de Física de Ángel Franco. La dirección de la página correspondiente es:

http://scsx01.sc.ehu.es/sbweb/fisica/cuantica/fotoelectrico/fotoelectrico.htm

Si lo deseas puedes bajarte esta página para trabajar sin conexión (en esta versión se han suprimido los enlaces al resto del curso)

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