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Efecto fotoeléctrico y ecuación de Einstein

Cuando una luz de frecuencia suficientemente alta llega a un metal, los electrones salen al instante. La luz viene en paquetes llamados fotones, cada uno con energía E = hν. Un fotón entrega toda su energía a un solo electrón: hν = φ + KEmax, donde φ es la función trabajo. Por debajo de la frecuencia umbral ν₀ = φ/h no sale ningún electrón, por mucho brillo que tenga la luz.

🎬 Historia paso a paso

  1. Conoce el montaje: una placa de metal y una placa colectora dentro de un tubo de vidrio sin aire (vacío). La luz está apagada, así que no pasa nada.
  2. Ilumina con luz roja muy intensa. Los fotones chocan con el metal, pero no sale ningún electrón. El brillo no basta: cada fotón rojo es demasiado débil.
  3. Cambia a luz violeta tenue o ultravioleta. Los electrones salen al instante, sin esperar. Un fotón choca con un electrón y le da toda su energía.
  4. Haz la luz violeta más brillante. Llegan más fotones cada segundo, así que salen más electrones y la corriente sube. La velocidad máxima de cada electrón no cambia.
  5. Mira las barras de energía. La energía del fotón hν paga el peaje de salida φ (función trabajo); lo que sobra es la energía cinética del electrón: hν = φ + KEmax.
  6. Haz negativo el colector. Empuja a los electrones hacia atrás. Con el potencial de frenado V₀ hasta los más rápidos se detienen, así que eV₀ = KEmax. Ahora usa los deslizadores y explora.

Consejo: arrastra la escena 3D para girarla. Usa dos dedos para hacer zoom.

🤔 Dudas comunes, resueltas

Si la luz roja es muy brillante, ¿por qué no puede arrancar electrones?

El brillo solo significa más fotones. Cada fotón rojo sigue teniendo menos energía que φ, y un electrón toma energía de un solo fotón a la vez. Mira el paso 2: muchísimos fotones rojos, cero electrones.

¿Por qué no hay retraso ni siquiera con luz tenue?

La energía no está repartida; viene en paquetes. El primer fotón que choca con un electrón puede liberarlo al instante. En el paso 3, los electrones aparecen en cuanto llegan los primeros fotones.

¿Una luz más brillante hace los electrones más rápidos?

No. Una luz más brillante produce más electrones, o sea, más corriente. Cada electrón sigue recibiendo hν de un fotón, así que la velocidad máxima es la misma. Mira el paso 4.

¿A dónde va la energía del fotón?

Una parte (φ) se usa para salir del metal; el resto se convierte en energía cinética. Las barras de energía del paso 5 suman: hν = φ + KEmax.

¿Por qué un colector negativo frena la corriente?

Una placa negativa repele a los electrones y los frena. Cuando eV iguala a la mayor energía cinética, hasta el electrón más rápido da la vuelta. Mira cómo los electrones se devuelven en el paso 6.

¿El potencial de frenado depende del metal?

Sí. V₀ = (hν − φ)/e, así que un metal con mayor φ da un V₀ menor con la misma luz. La pendiente h/e es la misma para todos los metales.

¿Qué es el efecto fotoeléctrico?

Los metales tienen muchos electrones libres. Una pequeña 'pared' de energía los mantiene dentro del metal. Cuando la luz adecuada llega a una superficie metálica limpia, algunos electrones reciben energía suficiente para saltar esa pared y salir volando. Esto es el efecto fotoeléctrico. Los electrones que salen se llaman fotoelectrones. Su movimiento forma una fotocorriente.

Función trabajo (φ): la energía mínima necesaria para arrancar un electrón de la superficie de un metal. Cada metal tiene su propio valor, por ejemplo unos 2.3 eV para el sodio y unos 4.7 eV para el cobre. 1 eV = 1.6 × 10⁻¹⁹ J.

Hertz y Lenard: las primeras pistas

En 1887 Heinrich Hertz hacía saltar chispas entre dos bolas de metal. Notó que la chispa saltaba con más facilidad cuando la luz ultravioleta caía sobre las bolas. La luz ayudaba a que las cargas escaparan del metal.

Hacia 1902 Philipp Lenard lo estudió con cuidado en un tubo de vacío. Encontró lo siguiente:

Wallace Hallwachs también vio que una placa de zinc cargada negativamente perdía su carga cuando le llegaba luz UV.

Estudio experimental del efecto fotoeléctrico

Montaje: un tubo de vidrio al vacío con una ventana de cuarzo (el cuarzo deja pasar la UV). Dentro hay una placa emisora C (metal fotosensible) y una placa colectora A. Una pila con un divisor de potencial fija el voltaje de A, y un conmutador permite hacer A positiva o negativa. Un microamperímetro mide la corriente.

1. Efecto de la intensidad

Mantén fijas la frecuencia y el voltaje. La fotocorriente es directamente proporcional a la intensidad de la luz. Doble de brillo → doble de corriente. Motivo: más fotones por segundo arrancan más electrones por segundo.

2. Efecto del voltaje (gráfica I–V)

Haz A cada vez más positiva: la corriente sube y luego se vuelve constante. Ese valor constante es la corriente de saturación: todos los electrones que salen están siendo recogidos. Ahora haz A negativa: la corriente baja. Con un voltaje −V₀ se hace cero. V₀ es el potencial de frenado (potencial de corte). Aquí eV₀ = KEmax.

Con la misma frecuencia pero distintas intensidades, las curvas tienen distinta corriente de saturación pero el mismo potencial de frenado. Por tanto, KEmax no depende de la intensidad.

3. Efecto de la frecuencia

Con la misma intensidad pero mayor frecuencia, el potencial de frenado es mayor (más negativo). La corriente de saturación sigue igual. Así, KEmax crece con la frecuencia.

4. Frecuencia umbral

Dibuja V₀ frente a ν. Obtienes una recta. Corta el eje ν en ν₀, la frecuencia umbral. Por debajo de ν₀ no sale ningún electrón, por muy brillante que sea la luz. Su pendiente es h/e, igual para todos los metales.

5. Sin retraso

Los electrones salen en unos 10⁻⁹ s después de encender la luz, incluso con luz muy tenue.

Por qué falla la idea de la luz como onda

Si la luz fuera solo una onda extendida:

Así que el modelo ondulatorio no puede explicar este experimento.

La ecuación fotoeléctrica de Einstein

En 1905 Albert Einstein propuso que la energía de la luz viene en pequeños paquetes llamados cuantos o fotones. Un fotón de frecuencia ν lleva una energía E = hν, donde h = 6.63 × 10⁻³⁴ J s (constante de Planck).

Un fotón es absorbido por un electrón, todo de una vez. El electrón gasta φ para salir. El resto es su energía cinética:

KEmax = hν − φ, o bien hν = φ + ½mv²max

Como KEmax = eV₀: eV₀ = hν − φ, y por tanto V₀ = (h/e)ν − φ/e. Esta es la recta de la gráfica V₀–ν.

Si pones KEmax = 0: φ = hν₀. Así, ν₀ = φ/h y la longitud de onda umbral es λ₀ = hc/φ.

La ecuación de Einstein lo explica todo: el umbral (la energía del fotón debe superar φ), que KEmax solo depende de ν (un fotón por electrón), que la corriente depende de la intensidad (número de fotones) y que no hay retraso (una sola colisión).

Atajo útil: E (en eV) = 1240 / λ (en nm).

Naturaleza corpuscular de la luz: el fotón

Un fotón es un pequeño paquete de energía luminosa. Sus propiedades:

La luz se extiende e interfiere como una onda, pero da y recibe energía como una partícula. Esta es la dualidad de la radiación.

Pruébalo: predice y comprueba

  1. En el 3D, pon la frecuencia en 5 × 10¹⁴ Hz. Predice: ¿una luz muy brillante (intensidad 10) dará corriente? Compruébalo.
  2. Pon la frecuencia en 9 × 10¹⁴ Hz y el voltaje en +1 V. Cambia la intensidad de 2 a 8. ¿Qué pasa con la corriente? ¿Y con KEmax?
  3. Haz el voltaje negativo poco a poco. Anota el voltaje en el que el punto verde de la gráfica llega a cero. Compáralo con KEmax en eV.
  4. En casa: una lámpara solar de jardín o la célula solar de una calculadora funciona con luz del sol e incluso bajo un LED blanco potente, pero mal bajo una luz roja tenue de noche. Pruébalo y piensa en la energía de los fotones.

Fórmulas y definiciones clave

Ejemplos resueltos

1. Calcula la energía de un fotón de longitud de onda 500 nm en julios y en eV.

Paso 1: E = hc/λ = (6.63 × 10⁻³⁴ × 3 × 10⁸) / (500 × 10⁻⁹). Paso 2: E = 1.989 × 10⁻²⁵ / 5 × 10⁻⁷ = 3.98 × 10⁻¹⁹ J. Paso 3: En eV: 3.98 × 10⁻¹⁹ / 1.6 × 10⁻¹⁹ ≈ 2.49 eV. Comprobación con el atajo: 1240/500 = 2.48 eV.

2. La función trabajo de un metal es 2.0 eV. Calcula su frecuencia umbral y su longitud de onda umbral.

Paso 1: φ = 2.0 × 1.6 × 10⁻¹⁹ = 3.2 × 10⁻¹⁹ J. Paso 2: ν₀ = φ/h = 3.2 × 10⁻¹⁹ / 6.63 × 10⁻³⁴ ≈ 4.83 × 10¹⁴ Hz. Paso 3: λ₀ = c/ν₀ = 3 × 10⁸ / 4.83 × 10¹⁴ ≈ 6.2 × 10⁻⁷ m = 620 nm (luz naranja-rojiza).

3. Una luz con energía de 4.0 eV por fotón llega a un metal con φ = 2.5 eV. Calcula KEmax y el potencial de frenado.

Paso 1: KEmax = hν − φ = 4.0 − 2.5 = 1.5 eV. Paso 2: eV₀ = KEmax, así que V₀ = 1.5 V. Paso 3: En julios, KEmax = 1.5 × 1.6 × 10⁻¹⁹ = 2.4 × 10⁻¹⁹ J.

4. Una luz de longitud de onda 310 nm llega a un metal con φ = 2.2 eV. Calcula la velocidad máxima de los fotoelectrones (m = 9.1 × 10⁻³¹ kg).

Paso 1: Energía del fotón = 1240/310 = 4.0 eV. Paso 2: KEmax = 4.0 − 2.2 = 1.8 eV = 1.8 × 1.6 × 10⁻¹⁹ = 2.88 × 10⁻¹⁹ J. Paso 3: ½mv² = KEmax → v² = 2 × 2.88 × 10⁻¹⁹ / 9.1 × 10⁻³¹ = 6.33 × 10¹¹. Paso 4: v ≈ 7.96 × 10⁵ m/s.

5. Una lámpara de 10 W emite luz de longitud de onda 600 nm. ¿Cuántos fotones emite cada segundo?

Paso 1: Energía de un fotón E = hc/λ = 1.989 × 10⁻²⁵ / 6 × 10⁻⁷ = 3.315 × 10⁻¹⁹ J. Paso 2: n = P/E = 10 / 3.315 × 10⁻¹⁹. Paso 3: n ≈ 3.0 × 10¹⁹ fotones por segundo.

6. Para un metal, el potencial de frenado es 1.2 V con luz de frecuencia 8 × 10¹⁴ Hz y 3.2 V con 12.8 × 10¹⁴ Hz. Calcula la constante de Planck y la función trabajo.

Paso 1: eV₀ = hν − φ en los dos casos. Resta: e(3.2 − 1.2) = h(12.8 − 8) × 10¹⁴. Paso 2: h = 1.6 × 10⁻¹⁹ × 2 / 4.8 × 10¹⁴ ≈ 6.67 × 10⁻³⁴ J s. Paso 3: φ = hν − eV₀ = 6.67 × 10⁻³⁴ × 8 × 10¹⁴ − 1.6 × 10⁻¹⁹ × 1.2 = 5.34 × 10⁻¹⁹ − 1.92 × 10⁻¹⁹ = 3.42 × 10⁻¹⁹ J ≈ 2.13 eV.

7. La longitud de onda umbral de un metal es 540 nm. Le llega luz de 360 nm. Calcula el potencial de frenado.

Paso 1: φ = 1240/540 ≈ 2.30 eV. Paso 2: hν = 1240/360 ≈ 3.44 eV. Paso 3: KEmax = 3.44 − 2.30 = 1.14 eV. Paso 4: V₀ = 1.14 V.

8. La intensidad de la luz sobre una fotocélula se multiplica por 4 y la frecuencia se mantiene. ¿Qué ocurre con (a) la corriente de saturación, (b) el potencial de frenado?

Paso 1: Intensidad = número de fotones por segundo. Con 4 veces la intensidad hay 4 veces más fotones y 4 veces más electrones. (a) La corriente de saturación se multiplica por 4. Paso 2: Cada fotón sigue teniendo la misma energía hν, así que KEmax = hν − φ es igual. (b) El potencial de frenado no cambia.

Errores comunes

Test de práctica

1. La emisión fotoeléctrica ocurre solo si la frecuencia de la luz es:
2. Aumentar la intensidad con frecuencia fija aumenta:
3. La ecuación fotoeléctrica de Einstein es:
4. La pendiente de la gráfica V₀–ν es igual a:
5. La energía de un fotón de 620 nm es aproximadamente:

Práctica: responde tú mismo

Escribe o elige tu respuesta y pulsa Comprobar. Usa la pista si te atascas; la solución completa aparece después de responder.

Preguntas frecuentes

¿Qué es el efecto fotoeléctrico en palabras sencillas?

La luz que llega a un metal le arranca electrones. Solo ocurre si cada paquete de luz (fotón) lleva más energía que la función trabajo del metal.

¿Por qué el efecto fotoeléctrico demuestra que la luz es una partícula?

La frecuencia umbral, que KEmax no dependa del brillo y la emisión instantánea solo se explican si la luz llega en paquetes de energía hν que chocan con un electrón cada uno.

¿Qué es el potencial de frenado?

El voltaje negativo del colector que justo detiene a los fotoelectrones más rápidos y hace que la corriente sea cero. eV₀ = KEmax.

Dónde se estudia

ItalySecondaria di secondo grado – classe 5ª (esame di Stato)Electromagnetism and modern physics
RomaniaClasa a XII-aElements of quantum physics
RomaniaClasa a XII-aElements of quantum physics
Ukraine11 класOptics
Ukraine11 класOptics
CBSE (India)Class 12Dual Nature of Radiation and Matter
England (GCSE, A level)Year 123.2 Particles and radiation
USA (Common Core, NGSS, AP)Grade 12Modern Physics
USA (Common Core, NGSS, AP)Grade 12Waves and electromagnetic radiation
Japan高校3年Atoms
South Korea고등학교 2학년Light and communication
South Korea고등학교 3학년Waves and communication
South Korea고등학교 3학년Waves and properties of matter
FranceTerminaleWaves and signals
Russia11 классQuantum physics
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China高三Selective 3 Ch.4 Atomic structure and wave–particle duality

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