Efecto fotoeléctrico

El efecto fotoeléctrico describe la expulsión de electrones de la superficie de un metal cuando se ilumina con luz por encima de una frecuencia umbral crítica f0. La teoría clásica ondulatoria predecía que cualquier frecuencia de luz, con intensidad suficiente, acabaría expulsando electrones. La explicación cuántica de Einstein en 1905 demostró, en cambio, que la luz está compuesta de fotones discretos, cada uno con energía E = hf, donde h = 6.626 x 10^-34 J s (4.136 x 10^-15 eV s). Un electrón solo se expulsa si un único fotón transporta energía suficiente para superar la función de trabajo del material phi: la condición umbral es hf0 = phi. Por encima de f0, la energía cinética máxima de los electrones expulsados sigue la relación KEmax = h(f - f0), una recta de pendiente h e intercepción cero en f0. La intercepción proporciona phi directamente, convirtiendo el experimento en una medición precisa de la constante de Planck y en una herramienta para determinar funciones de trabajo superficiales. El sodio tiene phi = 2.3 eV (umbral ~0.56 x 10^15 Hz, UV suave), el aluminio 4.1 eV (UV profundo) y el platino 5.7 eV (requiere rayos X).

El efecto fotoeléctrico fue decisivo en la fundación de la mecánica cuántica. Las meticulosas mediciones de Millikan en 1916 confirmaron la relación lineal KEmax frente a f propuesta por Einstein, con una pendiente que coincidía con h en un 1%; sin embargo, Millikan se resistió a aceptar la imagen del fotón que él mismo había verificado. Einstein recibió el Premio Nobel de 1921 específicamente por este descubrimiento, no por la relatividad. En la actualidad, el efecto es el principio de funcionamiento de los tubos fotomultiplicadores (detección de fotones individuales en física de partículas y escáneres médicos PET), los dispositivos de carga acoplada (CCD en astronomía y cámaras digitales) y la espectroscopía fotoelectrónica de rayos X (XPS), que cartografía la composición elemental de superficies midiendo los desplazamientos de KEmax. En las células fotovoltaicas, los fotones absorbidos excitan electrones a través de la banda prohibida de un semiconductor en lugar de una función de trabajo metálica, pero la misma cuantización E = hf gobierna la tensión máxima que la célula puede generar. La longitud de onda de corte para las células solares de silicio (banda prohibida de 1.12 eV) es 1107 nm, lo que define el límite de absorción en el infrarrojo.