o el descubrimiento del fotón y del carácter cuántico del mundo microscópico.

Transcripción

1 El efecto fotoeléctrico, o el descubrimiento del fotón y del carácter cuántico del mundo microscópico. Qué es el efecto foto-eléctrico: es el fenómeno que consiste en que los metales liberan electrones de su superficie cuando les incide luz. El efecto es pequeño (nadie se electrocuta al tocar un metal iluminado) y depende del metal (la mayoría emite electrones sólo con luz ultravioleta, pero hay algunos que emiten incluso con luz visible). Esto mantuvo perplejos a los físicos de 1900 (vamos a ver por qué), hasta que Albert Einstein, basándose en un trabajo previo de Max Planck, logró explicar el efecto con un golpe de audacia: proponiendo que la luz, además de ser una onda, tiene carácter de partículas. La explicación de este pequeño efecto inició el desarrollo de la Mecánica Cuántica, que es la teoría que explica correctamente lo que sucede en el mundo subatómico. Mecánica porque trata del movimiento o evolución de sistemas en el espacio, y cuántica por referencia los paquetes de energía o cuantos que aparecen en la teoría. La propuesta de Einstein sobre la luz no fue aceptada fácilmente, porque el camino de descubrir el origen ondulatorio de la luz no había sido corto ni fácil. saac Newton ( ), quien trabajó mucho en óptica, sostenía que la luz era un chorro de partículas. Christiaan Huygens ( ), por otro lado, sostenía la hipótesis ondulatoria. Gran cantidad de experimentos se hicieron para finalmente establecer el carácter ondulatorio de la luz. Sin embargo, cabe decir que todos apuntaban a fenómenos de propagación de la luz, y no al carácter de la interacción de la luz con la materia. Entre los que no aceptaban la explicación de Einstein estaba R.A. Millikan, quien ya era famoso por su medición de la carga del electrón. Millikan trató de demostrar que Einstein estaba equivocado, haciendo para ello los experimentos más precisos de su época sobre el efecto fotoeléctrico. Sin embargo, sólo terminó comprobando con gran precisión que Einstein estaba en lo cierto. Posteriormente, la Teoría Cuántica, desarrollada a partir de la propuesta de Einstein, curiosamente, fue duramente combatida por el mismo Einstein. Pero ni él mismo pudo parar el avance de lo que llegó a ser la más exitosa de las teorías del mundo físico y tal vez el logro más impresionante de la mente humana. Breve historia: 1887: H. Hertz, el descubridor experimental de las ondas electromagnéticas, notó que su detector, consistente en una espira abierta que emitía una chispa cuando recibía las ondas, chispeaba más intensamente cuando le llegaba luz UV.

2 1888: W. Hallwachs, estudiante de Hertz, notó que una placa de zinc cargada negativamente se descargaba rápidamente si le incidía luz UV. En cambio, cuando la placa estaba cargada positivamente, la descarga no ocurría. Adicionalmente, notó que la luz UV hacía que la placa inicialmente sin carga adquiriera carga positiva. También notó que el efecto desaparecía si en vez de UV usaba luz visible. 1889: J. Elster y H. Geitel descubrieron que en algunos metales alcalinos el efecto también se producía con luz visible. Además notaron algo razonable: el número de electrones emitidos es directamente proporcional a la intensidad de la luz UV. 1900: J.J. Thomson logró identificar las partículas emitidas con un arreglo similar a un tubo de rayos catódicos, pero en vez de poner un alto voltaje entre los electrodos, se hace incidir luz sobre el cátodo. Así determinó que estas partículas tenían la misma relación e/m que los rayos catódicos, es decir, eran electrones. Thomson recibió el Premio Nobel en 1906 por éste y sus otros trabajos. 1902: P. von Lenard, usando un equipo similar al de Thomson, estudió cómo variaba la energía de salida de los electrones al variar la intensidad, y descubrió algo inexplicable: La energía máxima de salida de los electrones, E max, era un valor fijo, independiente de la intensidad de la luz. La energía máxima E max sí dependía del color (frecuencia de la luz): E max aumentaba con la frecuencia. Lenard recibió el Premio Nobel en 1905 por sus trabajos. 1905: A. Einstein explicó el efecto fotoeléctrico, postulando que la luz no interactuaba con la materia en forma de un flujo continuo sino en cuantos de energía y momentum (hoy llamados fotones ), el tamaño de los cuales sería proporcional a la frecuencia de la onda electromagnética. Este trabajo le valió a Einstein su Premio Nobel en : R.A. Millikan, el mismo que años antes midió la carga del electrón, empecinado en probar que Einstein estaba equivocado en su interpretación corpuscular de la luz, hizo una serie de experimentos de alta precisión sólo para comprobar que Einstein estaba en lo cierto y, de paso, obtener el valor de la constante de Planck con una precisión de 0.5%. En todo caso su esfuerzo no fue en vano: en 1923 recibió el Premio Nobel por estos trabajos. Cómo entender el fenómeno: Primero hay que entender el circuito: Consideremos un circuito DC con una batería, un amperímetro y un resistor. c R a + V bat

3 Claramente el voltaje entre el ánodo y cátodo del resistor, denotado por a y c, respectivamente, es simplemente V bat. Considerando que este voltaje pueda ser positivo o negativo (dando vuelta la batería), la gráfica de la corriente vs. voltaje es típicamente una recta (relación lineal en un circuito Ohmico). Ahora reemplacemos el resistor por un tubo al vacío con una placa de ánodo y una de cátodo, ésta última que se pueda calentar de alguna forma (normalmente con otro circuito ohmico, que no vamos a dibujar). Debido a la alta temperatura del cátodo, algunos electrones de la superficie del metal logran adquirir suficiente energía para salir, formando una nube de electrones junto al cátodo. Esto se llama emisión termiónica. cátodo caliente Es importante saber además que hay una energía de + V bat umbral, llamada función de trabajo, que es la mínima energía que necesita absorber un electrón para liberarse del metal. Se puede pensar que los electrones en el metal están ligados como las moléculas de un líquido están atrapadas dentro de un vaso. Para salir del vaso, las moléculas deben subir hasta el borde del vaso (adquirir energía potencial). Las moléculas que menos energía requieren son las que están en la superficie del líquido, y a ésas les cuesta una energía para salir. A las demás moléculas, que yacen a más profundidad, les cuesta más energía que para salir. Así, es la mínima energía necesaria para liberarse del vaso. El efecto térmico saca electrones con distintas velocidades y a una tasa dada (número de electrones que salen por segundo). Si se aumenta la temperatura, salen más electrones y con mayor energía. Al aplicar un voltaje positivo (como en la figura), aparece un campo eléctrico entre los electrodos, que acelera a los electrones hacia el ánodo y se establece una corriente en el circuito. Si uno aumenta el voltaje, la corriente no varía substancialmente, porque simplemente está limitada por la tasa de emisión de electrones desde el cátodo (un voltaje mayor los hace viajar en menos tiempo entre los electrodos, pero la cantidad de ellos es la misma, de modo que por el circuito sigue habiendo la misma corriente). Si hacemos V=0, en realidad los electrones siguen llegando hacia el ánodo (aunque difundiéndose lentamente, y por lo tanto formando una nube espesa entre las placas), y la corriente sigue aproximadamente igual (el tubo se comporta como una fuente de electricidad!!!). Si aplicamos un voltaje negativo, el campo eléctrico frenará a los electrones que transitan hacia el ánodo y, de hecho, hará que los menos energéticos se den la vuelta sin llegar al ánodo. Así, la corriente será menor. Si sigo aumentando el voltaje negativo, se irán frenando más y más electrones y la corriente disminuirá hasta que finalmente ningún electrón logre llegar al ánodo. A partir de ahí, para mayores ánodo

4 voltajes negativos, la corriente permanecerá en cero. Un gráfico (en gruesa aproximación) de vs. V para la situación es el siguiente (ver curva sólida): Además, es importante entender que si aumentamos la temperatura, la corriente será mayor y, además, el valor de V para el cual la corriente se hace cero se desplazará hacia la izquierda (ver curva punteada). Esto último se debe a que a mayor temperatura, salen electrones más energéticos, que requieren de un mayor voltaje para frenarlos. Finalmente, es Emisión termiónica importante decir que la corriente demora en establecerse, tiempo que depende inversamente de la potencia del calefactor. V Vamos ahora al efecto fotoeléctrico, como lo descubrió Lenard. Aquí usamos un circuito similar, pero en vez de calentar el cátodo, hacemos incidir luz sobre él. Nuevamente es energía lo que llega al cátodo, la que nuevamente arranca electrones y así aparece una corriente y nuevamente la corriente es mayor si la potencia incidente (en este caso, cátodo ánodo de la luz) es mayor. También observamos que si aplicamos un voltaje inverso, la corriente disminuye, y a medida que vamos aumentando ese voltaje inverso, la corriente va disminuyendo, hasta que alcanzamos un voltaje (llamado V stop ) para el cual la corriente se anula. Todo esto es + V bat razonable y esperado, y en cierta manera se parece al experimento de emisión termiónica (salvo que en este caso, la llegada a cero de la corriente es más clara y definida que en el caso térmico). Sin embargo, hay tres sorpresas que aparecen en este fenómeno: 1. la emisión de electrones no ocurre si la frecuencia de la luz está bajo un cierto valor de umbral, sin importar cuánto sea la intensidad de la luz. 2. si la frecuencia de la luz está sobre el umbral, la emisión es inmediata, sin importar la intensidad de la luz (es decir, no hay que esperar ninguna acumulación de energía, como en el caso térmico). 3. Al aplicar un voltaje inverso, el valor V stop para el cual la corriente se hace cero (que corresponde a la máxima energía cinética de los electrones liberados) es independiente de V stop Efecto fotoeléctrico V

5 la intensidad de la luz. V stop sólo depende de la frecuencia de la luz. En el gráfico, cada curva representa la corriente del circuito vs. el voltaje aplicado, para una frecuencia e intensidad de la luz dados. Las curvas superiores corresponden a mayor intensidad de la luz. Note que el voltaje V stop no cambia! Por otro lado, si uno usa luz de frecuencia mayor (más ultra-violeta ), V stop se desplaza hacia la izquierda, y si se usa luz de frecuencia menor, V stop se acerca hacia el valor cero. De hecho, para cada material hay un valor de frecuencia de la luz a la cual V stop se hace cero. A esa frecuencia o cualquier valor menor, simplemente la luz no es capaz de sacar electrones (incluso aunque V sea positivo salvo que sea un voltaje gigantesco, como el que se usa en tubos de Crookes!). Claramente el papel que juega la frecuencia de la radiación parece ser muy importante. Lo raro es que eso no tiene ninguna explicación dentro de lo que conocemos de la teoría electromagnética clásica: todos los problemas que estamos viendo son de tipo energético. Eso debería tener que ver con la magnitud de los campos, la intensidad de la onda o los tiempos de exposición, pero qué tiene que ver la frecuencia de la onda en todo esto? Einstein tomó una idea que había usado Max Planck algunos años antes, para explicar la radiación térmica (radiación que emite un cuerpo en equilibrio a una temperatura dada). La idea de Planck era que la radiación y la materia no se transfieren energía en forma continua, sino sólo en unidades discretas o cuantos, cuyo valor es proporcional a la frecuencia de la onda: Ecuanto = h ν, donde h es una constante universal (llamada constante de Planck). Planck no trató de explicar por qué esto es así. Simplemente descubrió que, por raro que parezca, si uno asume esta propuesta, los cálculos teóricos coinciden perfectamente con las mediciones experimentales. Einstein tomó esta propuesta y fue un poco más lejos: él postuló que no sólo se trataba de unidades de transferencia de energía, sino de una cuantización misma de la luz: estos cuantos son partículas de luz, de energía hν y momentum hν c, es decir h λ (recuerde que para una onda, λν = c, y para una partícula de masa cero, E= pc). Por qué masa cero? Porque la luz debe moverse a velocidad c, y para que una partícula se mueva a velocidad c, la única forma consistente con la Relatividad es que su masa sea cero!. Suponiendo esto, y sabiendo que cada metal tiene una cierta función de trabajo, es fácil deducir todo el comportamiento del efecto fotoeléctrico recién descrito. Un haz de luz de frecuencia dada corresponde a un chorro de cuantos de luz o fotones, cada uno de energía dada por la frecuencia. La intensidad de la luz, por otro lado, depende de la cantidad de fotones en el haz (análogo a cualquier flujo de partículas, o a las gotas de lluvia: la cantidad de agua que cae por unidad de tiempo depende de la cantidad de gotas que caen por unidad de tiempo y la cantidad de agua que trae cada gota).

6 Cuando el haz incide sobre el metal, el proceso de absorción de energía ocurre a nivel de cada fotón por cada electrón, uno a uno. Si la energía del fotón es suficiente, el electrón podrá absorber esa energía, de la cual una parte la gastará en energía potencial para salir del metal (la función de trabajo o más, dependiendo de cuán profundamente haya estado ligado el electrón), y el resto le quedará afuera en forma de energía cinética: hν = E + E Los electrones menos ligados (aquéllos que sólo necesitan saldrán con la máxima energía cinética de entre todos los que salen: hν = φ+ E K max Listo! Esto lo explica todo: pot K Epot = φ para liberarse), El voltaje de frenado es aquél que logra frenar al más energético de todos los electrones que salen del metal, haciendo que se devuelva sin llegar al ánodo (haciendo que =0). Esto significa simplemente que Vstop = EK max. En efecto, hemos por lo tanto encontrado que: hν = φ+ V stop Es decir: 1. V stop sólo depende de la frecuenciade la luz, no de la intensidad. 2. V stop es mayor si la frecuencia es mayor, y es menor si la frecuencia es menor. 3. Existe un valor finito de frecuencia de la luz para la cual V stop se hace cero, lo que corresponde a decir que la máxima energía cinética de salida de los electrones se hace cero o, en otras palabras, los fotones de la luz no son lo suficientemente energéticos para vencer la función de trabajo y, por lo tanto, no salen electrones! Ese valor de frecuencia es simplemente: νc φ h y su valor depende, efectivamente, de cada material. Por otro lado, si uno hace una serie de experimentos, iluminando un material dado sucesivamente con luz de distintas frecuencias y buscando el valor de V stop para cada caso, comprobará que encontrará la relación hν = φ+ Vstop. Adicionalmente, si repite el experimento con otros materiales, verá que encontrará una relación similar, con otro valor de φ, pero siempre encontrará el mismo valor de h!!! Ese tipo de experimentos fue lo que hizo Millikan, comprobando la veracidad de la hipótesis de Einstein, y encontrando el valor de h con una precisión de 0,5%, la más alta precisión a esa fecha, y consistente con el valor de h que se encuentra midiendo el espectro de radiación térmica.

7 PREGUNTAS: 1. Sabiendo lo que es el efecto fotoeléctrico, tiene sentido lo que descrubrió Hallwachs (el metal cargado negativamente se descarga al incidir luz UV sobre él, pero no se descarga si está cargado positivamente)? 2. Le parece a usted razonable lo descubierto por Elster y Geitel de que la corriente de emisión aumenta con la intensidad de la luz? 3. Considere lo que descubrió Lenard: la energía máxima de salida de los electrones no dependía de la intensidad de la luz. Por qué esto es extraño? Qué habría esperado Lenard que ocurriera? 4. Vea el gráfico aproximado de la emisión termiónica. Le parece razonable que la corriente sea independiente del voltaje, cuando éste sea positivo? Puede visualizar la nube de electrones que va desplazándose entre los electrodos? En qué zona la nube es más densa? En qué zona avanza más rápido? Ahora, si aumentamos el voltaje, cómo cambia la nube? Qué debería mantenerse constante? (piense en flujos). 5. En el mismo gráfico de la emisión termiónica, le parece razonable la gráfica que muestra un quiebre brusco de la pendiente en el punto donde la corriente se hace cero? O debería ser más suave la caída? Piense a qué se debe el fenómeno, en términos de los electrones que salen del metal con toda una distribución de energías posibles. 6. Vea ahora el gráfico del efecto fotoeléctrico. Cada curva está dada para una frecuencia e intensidad fijas. Las curvas de más arriba corresponden a frecuencias mayores o intensidades mayores? Cómo cambiaría la curva si se cambiara el otro parámetro? 7. Averigüe el valor de la constante de Planck. Exprésela en electronvolt segundo. 8. Qué es un electronvolt? Lo puede expresar en términos de Joule?; de Volt?; de Watt?; de Coulomb?; de Ampere?; de metro?; de Caloría?; de Coulomb Volt? 9. Para un metal cuya función de trabajo es 1 ev (electronvolt), cuál es la máxima longitud de onda de luz que logra sacar electrones? Y si a función de trabajo fuera de 2 ev? Cuál es el valor de la función de trabajo que separa a los metales que emiten con luz visible de aquéllos que no logran emitir con luz visible? C.D., Abril 2006