Efecto Fotoeléctrico: Explicación, Historia y más

¿Has escuchado hablar del efecto fotoeléctrico? Justo aquí te ofrecemos toda la información que concierne al llamativo tema que emerge de la física cuántica. Conoce su historia, explicación, y concepto, además de algunos exponentes que han realizado aportaciones a esta rama de la física.

¿Qué es el efecto fotoeléctrico?

El efecto fotoeléctrico radica en la expresión y manifestación de electrones, el cual se lleva a cabo mediante un conductor que puede ser un objeto que logra la inducción de radiación electromagnética. Esta radiación se traduce en la luz perceptible. Entre algunas vertientes de luz podemos encontrar los siguientes:

Fotoconductividad

Juega un papel fundamental gracias a los efectos que lleva a cabo mediante el acrecimiento de los niveles de conductividad traducidos en electricidad que la luz ejerce. Dicho experimento fue expuesto para mediados del siglo diecinueve.

Efecto fotovoltaico

Guarda especial relación en el hecho que desencadena un efecto que transforma la energía lumínica en contraste con la eléctrica. Hecho que se desencadena en el año mil ochocientos ochenta y cuatro.

Descubrimiento

El descubrimiento del efecto fotoeléctrico se lleva a cabo gracias a los estudios realizados por Heinrich Hertz en el año mil ochocientos ochenta y siete. Su observación se encuentra bajo los planteamientos que involucran a una curva que rebota entre 2 electrodos, y que se encuentran interconectados bajo una tensión alta, que tiende a alcanzar distancias superiores al iluminarse mediante una luz UV, que es completamente diferente que cuando se encuentra a oscuras.

La primera prueba de este punto teórico, fue esbozada a través de la definición o descripción que propuso  Albert Einstein sobre el efecto fotoeléctrico, llegando a la conclusión de que la partícula que corresponde a la luz recibe la denominación de fotón. La base para la creación de esta teoría basada en la luz fue utilizada por Einstein gracias a los eminentes estudios de Planck. Quien realizó algunos esfuerzos por evidenciar la existencia de cuantos.

La Biografía de Max Planck nos muestra la incursión de este científico en el mundo de la física, además de evidenciar ciertos reconocimientos que se le otorgaron gracias a los estudios realizados sobre los cuantos de acción. Tomando en cuenta que esta teoría le abrió las puertas al camino de la física cuántica de manera rápida y fluida.

El efecto fotoeléctrico se encuentra en contraposición a los rayos X. tomando en cuenta que los fotones logran la transferencia de electrones en este proceso de radiación electromagnética, mientras que en el caso de los rayos X no fue sino hasta varios estudios que se dio a conocer la composición sobre la cual se generan los rayos X. Que para el año 1985 se descubre los efectos y la utilización de dicha radiación denominada rayos, por el científico Wilhelm Rotge.

Fotones

Los Fotones están representados por energías que se encuentran delimitadas por un tipo de frecuencia lumínica en forma de onda. Si nos encontramos con el caso de un átomo, que encuentra absorber una cierta cantidad de energía que emerge de cierto fotón, este cuenta con grandes cantidades enérgicas que le permiten arrojar un electrón del material en cuestión, para posteriormente dirigirse hacia un trayecto en específico que termina en cierto espacio.

Habiendo sucedido lo anteriormente expuesto, el electrón es repelado del material. En el caso contrario. Si la energía que el fotón emana no cuenta con la suficiente fuerza, el electrón no cuenta con la agilidad de escape o fuga del material en cuestión.

Por su parte, no depende de los cambios generados por la fuerza de la luz que sea modificada la energía presente en el fotón, únicamente la cantidad de los electrones que logran el escape fuera del espacio sobre el que se encuentran, tienen la facultad de hacerlo, gracias a la fuerza que los electrones emiten, queda claro que no se encuentra dependiente de la radiación que alcanza, sino de la frecuencia emitida.

En general, no todos los electrones se encuentran aptos para lograr ser expulsados por el efecto fotoeléctrico, se tiene en cuenta que los primeros en salir son aquellos que no suelen necesitar de una fuerza extrema para lograr la expulsión con éxito. En un aislante dieléctrico se pueden evidenciar algunos electrones con grandes cantidades de energía en la banda de valencia.

En el caso del metal solemos encontrar a los electrones ante una banda ancha que otorga una gran conducción.
Por lo tanto, a través del semiconductor se logran evidenciar los electrones que transmiten una gran cantidad de energía. En términos de conductores de este tipo, se suelen  encontrar escasos electrones en la banda que genera conducción.

Cuando hablamos de temperatura ambiente solemos encontrar algunos electrones con grandes cantidades de energía, los cuales se han encontrado muy cerca de los niveles de Fermi. Existe una energía que debe contener un electrón para poder alcanzar un nivel de Fermi, esto se conoce como fusión de trabajo mientras la frecuencia más mínima que se necesita para una radiación que pretenda expulsar a un electrón, se llama frecuencia de umbral.

La valoración de dicha cantidad enérgica es versátil, y nunca constante, esto por supuesto, dependiendo en todo momento del material y de sus capas atómicas. Algunos materiales metálicos como el calcio y el cesio cuentan con muy bajo funcionamiento de trabajo. Por este motivo, debe ser completamente estricto que el material se encuentre limpio en lo que respecta a los átomos.

Explicación

Los fotones que cuentan con rayos lumínicos, cuentan a su vez con una energía peculiar, la cual se encuentra establecida por la frecuencia que la luz le proporciona. Mediante el procedimiento de fotoemisión, si es el caso de que un electrón logre absorber la energía de un fotón y el fotón cuente con la energía aun mayor que la función de trabajo, el electrón se verá expulsado de la materia.

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Al momento de que aumente la energía del haz, no se generan cambios en las energías de los fotones, únicamente existe un cambio en lo que respecta a la cantidad numérica de los fotones. Por lo tanto la conclusión evidente, es que la energía de cada electrón jamás dependerá de la intensidad o fuerza que la luz proporcione, pero sí de la energía que cada fotón efectué.

Estrictamente toda la energía que el fotón adquiere tiene que ser atraída y a su vez debe utilizarse para lograr la liberación de un electrón que se encuentre enlazado a un átomo. En este caso, de que dicha energía que contenga los fotones que logre consumir una de estas partes, desata al electrón del átomo y lo restante se convierte como contribución de la energía cinética como parte del electrón finalizando en partícula libre.

Por su parte Albert, no tenía como meta el estudio concreto de la causalidad que generaban los electrones en la radiación de algunos metales, que posteriormente se convertía en energía cinética, sin embargo realizó sus observaciones pertinentes.

Dio con la explicación de la conducta que ejerce la radiación. Mediante esta acción se propuso explicar mediante la observación la cantidad de electrones que abandonaban la material, tomando en cuenta que la frecuencia jugaba un papel fundamental en las acciones efectuadas.

Historia

En el mundo de la física logramos delimitar la historia de algunos descubrimientos que se encuentran registrados en fechas exactas, gracias al estudio de algunos Científicos importantes que contribuyeron con diversos estudios y teorías que hoy en día han ayudado a explicar algunos fenómenos de la física, entre los científicos que podemos mencionar encontramos:

Heinrich Hertz

Este científico, logró llevar a cabo el primer estudio acerca de la observación del efecto fotoeléctrico en el año mil ochocientos ochenta y siete. Los instrumentos bajo los cuales llevó a cabo dicho experimento, se basan en una bobina sobre la cual se lograba efectuar una chispa como garantía de que funcionaría como receptor de ondas electromagnéticas.

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Para obtener una visión completa del panorama, y a su vez lograr la observación de la chispa, este enclaustró el receptor en una caja o recipiente de color negro. Ante esto, se llevó a cabo una absorción de luz UV, la cual proporcionaba fácilmente el salto de los electrones. Y a su vez se evidenciaba de manera directa la fuerza que contenía la chispa dotada de electricidad que el receptor producía. El científico publico dicho experimento aun sin explicar el fenómeno.

Joseph Jhon Thomson

Para mil ochocientos noventa y siete el científico Thomson se encontraba preparando las bases de un estudio específicamente sobre rayos catódicos. Bajo la influencia de Maxwell, el estudioso concluye que los rayos catódicos radicaban en un flujo de partículas que se encontraban con diversas cargas negativas, a los cuales les otorga el nombre de corpúsculos, y que finalmente se les da el nombre de electrones.

Joseph tomó las bases de su experimento sobre una placa de metal totalmente cerrada en un tubo de vacío, logrando exponer a dicho elemento hacia la luz con una completa diferencia en lo que respecta a la longitud de onda. El científico creía que el campo electromagnético otorga algunas resonancias con el campo eléctrico, y que a través de este se emitía un corpúsculo dotado de carga eléctrica.

La intensidad que se presentaba en dicha corriente dotada de electricidad era muy variante ante los niveles intensos que la luz efectuaba. Esto se traducía en que al incrementar la luz, a su vez también se incrementaba la corriente. Su traducción se lleva a cabo gracias a que la radiación que cuenta con una frecuencia superior, a su vez también produce partículas con mayor energía cinética.

Phillipp Lenard

Para el año mil novecientos dos, este científico efectúa un estudio sobre el efecto fotoeléctrico en el cual manifestaba la variación enérgica de los electrones, concluye que estos  juegan un papel fundamental con la frecuencia de la luz incidente.

Albert Einstein

En mil novecientos cinco se lleva a cabo la formulación científica  de la famosa teoría de la relatividad, que propone el científico bajo prescripciones que se sustentaban sobre bases matemáticas y numéricas, que permitieron el entendimiento de algunos procedimientos.  La emisión de electrones se vio unida a la producción y absorción de cuantos de luz, a los cuales posteriormente se les llamo fotones.

En 1905, el mismo año que llevó a cabo una clase de planteamientos sobre  teoría de la relatividad, Albert Einstein propuso una investigación en la cual expone un fenómeno que parecía funcionar de forma correcta,  en la que la emisión de electrones era producida por la absorción de cuantos de luz, hecho que más tarde serían llamados fotones.

En un artículo titulado Un punto de vista eucarístico sobre la producción y transformación de la luz, y se mostró cómo la idea de que partículas discretas de luz podían generar el efecto fotoeléctrico y también mostró la presencia de una frecuencia característica para cada material por debajo de la cual no se producía ningún efecto. Por esta explicación del efecto fotoeléctrico Einstein recibiría el Premio Nobel de Física en 1921.

Tomando en cuenta la teoría de Einstein, la energía con que los electrones huían del cátodo al mismo tiempo que subían de forma constante,  a través de la frecuencia de la luz incidente, al apartarse de la forma intensa de la energía. Grandiosamente, dicho efecto no se había logrado ver  en antiguos momentos. La demostración experimental de este aspecto la llevó a cabo en 1915 el físico estadounidense Robert Andrews Millikan.

Finalmente, todos y cada uno de los científicos que han sido mencionados con anterioridad han realizado grandes aportaciones a lo que fue el estudio y descubrimiento del efecto fotoeléctrico. Gracias a los cuáles hoy en día el conocimiento, y los planteamientos teóricos han sido muy bien recibidos.

Hoy en día este increíble efecto fotoeléctrico cuenta como un mecanismo que puede encontrarse en diversos equipos electrónicos. Su descubrimiento fue realmente importante gracias a los estudios que se efectuaron para de esta manera conocer algunos efectos que la luz posee.

Siendo los estudios de dichos científicos, aportaciones que lograron marcar una gran diferencia en el mundo de la física. Gracias a esto la física cuántica es una rama científica que obtuvo un gran nivel de prestigio, la cual progresivamente se desarrolló con gran ímpetu e interés.

Dualidad onda-corpúsculo

Este fenómeno, es el efecto físico que se fue descubierto en primera instancia junto con otros espectros de las mismas características. Originó el descubrimiento de la denominada onda-corpúsculo que es componente de la mecánica cuántica. La luz se comporta como ondas pudiendo producir interferencias y difracción como en el experimento de la doble rendija de Thomas Young, pero intercambia energía de forma discreta en paquetes de energía, fotones, cuya energía depende de la frecuencia de la radiación electromagnética.

Dichos ideales lograron construir una teoría de la radiación electromagnética con bases sumamente claras y definidas, ya que a través de esta, surgieron explicaciones acerca de otros términos que se encuentran involucrados en las funciones que la radiación lleva a cabo.

Efecto fotoeléctrico en la actualidad

Hoy en día el efecto fotoeléctrico suele ser la base completa que se puede encontrar ante los niveles enérgicos que se manifiestan de forma fotovoltaica, este tipo de efecto suele encontrarse en las industrias termoeléctricas, al igual que se manifiesta en algunos sistemas sensitivos que contienen las cámaras digitalizadas.

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En otros elementos el efecto fotoeléctrico se encuentra presente en los electrodomésticos de uso cotidiano, en su mayoría estos se componen de un material muy potencial, como el cobre, dichos elementos logran la producción de potencial corrientes eléctricas.

Este fenómeno también lo podemos encontrar en los cuerpos que están expuestos a los reflejos del Sol por un periodo considerable de tiempo. Las partículas de polvo que componen la superficie de la Luna al recibir esta luz de forma directa, se cargan de energía positiva, esto es gracias al impacto de los fotones. Estos diminutos fragmentos al estar cargados, se repelen unos a otros, de esta forma se elevan y forman una atmósfera tenue.

Los satélites naturales también reciben carga eléctrica positiva y llena la superficie que se encuentra iluminada por el Sol, sin embargo, en la región más oscura, se carga de energía negativa. Hay que resaltar que es necesario tener esta eventualidad de acumulación de energía en cuenta.

Finalmente, el descubrimiento del efecto fotoeléctrico trajo consigo el mejoramiento que a través del tiempo ayudó a comprender de forma magnifica la profunda estructura que el mundo presenta. A su vez, los avances que desencadenó su efecto, se traducen en los siguientes progresos tecnológicos:

  • Transmisión de imágenes animadas
  • Progreso del cine
  • Televisión
  • Maquinaria pesada, utilizadas en los procesos de industrialización.

En el área de la electricidad, el efecto fotoeléctrico logra increíbles resultados, ya que gracias a su utilización es posible el alumbrado público. Tomando en cuenta que muchas de las maquinas que ejecutan esta tarea no necesitan ser monitoreadas o supervisadas por ningún trabajador u operador, ya que dicho efecto lleva a cabo el encendido y apagado automático de las luces que iluminan las avenidas o calles de cualquier lugar.

Sin duda alguna, este efecto es realmente complejo de entender, sin embargo, sus estudios fueron bastante profundizados en tiempos antiguos, gracias a los científicos que hicieron aportes bastante interesantes y concretos, los cuales han sido plenamente reconocidos a nivel científico.

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