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Efecto fotoeléctrico


La cosa comienza por el 1887 cuando Heinrich Hertz se da cuenta de que un arco eléctrico entre dos electrodos salta mayor distancia cuando se ilumina con rayos ultravioletas. Luego otros científicos demostraron que cuando se ilumina una superficie metálica con cierta longitud de onda los electrones del material pueden escapar más fácilmente de él lo que justificaba el experimento de Hertz. Como este efecto estaba relacionado con la luz y la electricidad fue llamado efecto fotoeléctrico.

Para comprender

Para comprender el porque del efecto fotoeléctrico tenemos que aceptar varias cosas que son difíciles de entender desde el punto de vista del macro mundo que nos rodea, veamos:

1.- Que la luz tiene una naturaleza "extraña" que en ocasiones se comporta como una onda (cumple muchas leyes de las ondas), en otras, como un flujo de partículas (es capaz de producir empuje cuando choca con un cuerpo opaco). Como esta dualidad era difícil de conjugar, a los científicos se les ocurrió pensar que la luz era como una andanada de "proyectiles" muy rápidos y pequeños constituidos por energía, y que estos proyectiles se llamaban fotones.

2.- La energía contenida en estos fotones podía ser mayor o menor y en dependencia de esto se comportaban como una onda de diferente longitud en el espectro, por lo que fotones de mucha energía producían luz ultravioleta de pequeña longitud mientras que los fotones de poca energía producen luz en la zona infrarroja y mayor longitud, o bien al revés, la luz infrarroja tiene fotones de baja energía y la ultravioleta de mayor energía.

3.- Que la energía de los fotones era independiente de la intensidad de la luz, mas bien una luz intensa tiene mas "proyectiles" y una débil menos.

4.- Así quedaba resuelto el asunto, estos fotones se comportan como ondas durante el movimiento y al mismo tiempo cuando un cuerpo opaco los absorbe y los detiene, parte de su energía se convierte en masa y pueden producir empuje mientras el resto produce incremento de la energía (por ejemplo calorífica) del cuerpo receptor.

5.- Que los elementos que constituyen la estructura de la materia que nos rodea son también de naturaleza "extraña", y se comportan al mismo tiempo como partículas con masa y como si fueran un "paquete de energía". Esta dualidad ha tratado de explicarse con la teoría cuántica, pero para nuestro propósito, es suficiente con asumir que los componentes elementales de la materia son partículas.

6.- La partícula elemental que nos interesa es el electrón, portador de carga negativa con una masa casi despreciable. Estos electrones tienen la particularidad de agruparse en cantidades fijas en los alrededores del núcleo atómico a ciertas distancias preestablecidas (niveles y sub-niveles de energía) y que cuando uno de ellos recibe energía adicional por el choque de otra partícula nunca aumenta su masa si no que se traslada a una de estas órbitas mas lejanas del núcleo. Si la energía recibida es suficiente puede incluso abandonar el átomo y convertirlo en un ion.

7.- Que solo cuando el último nivel o sub-nivel de energía (nivel de valencia) del átomo está incompleto de electrones, los allí presentes pueden saltar de un átomo al vecino para producir lo que conocemos como corriente eléctrica. El resto de los electrones de los niveles y sub-niveles precedentes están completos y son fuertemente retenidos por el núcleo y no se comparten a átomos vecinos.


De toda esta madeja de cosas medio "incomprensibles" y para simplificar la explicación, vamos a asumir que tanto el fotón como el electrón son partículas, y que cuando se ilumina un cuerpo, los fotones de la luz chocan con las partículas de los átomos de la superficie como si fueran bolas de billar.

Por qué el efecto fotoeléctrico

Sentadas las bases para la compresión tratemos ahora de explicar por qué se produce el efecto fotoeléctrico.

Si tomamos una sustancia cualquiera y la iluminamos, estamos bombardeando los átomos de la superficie con fotones, algunos de estos fotones pueden chocar con los electrones de un átomo y suministrarle la energía necesaria para cambiar de órbita atómica y colocarse en el nivel de valencia y hasta abandonar el átomo. Al hacer esto pueden producirse tres manifestaciones diferentes del efecto fotoeléctrico:

1.- La foto ionización: Es la ionización de un gas por la luz u otra radiación electromagnética. Para ello, los fotones tienen que poseer la suficiente energía para sacar uno o más electrones externos de los átomos de gas y así lograr el ion.

2.- La foto conducción: Los electrones de algunos materiales semiconductores cristalinos absorben energía de los fotones y llegan así subir a los niveles de energía en la que pueden desplazarse libremente y conducir electricidad. Este efecto puede producirse en todos los materiales pero en los buenos conductores la conducción base es tal que impide la percepción del efecto.

3.- El efecto fotovoltáico: los fotones pueden producir acumulación de carga eléctrica (electrones) en las proximidades de la cara iluminada de un material mientras se produce una deficiencia en la otra. Si se capturan esos electrones acumulados y se conectan a través de un conductor a la otra cara se produce el flujo de una corriente. Hemos logrado un generador fotoeléctrico.



En el artículo: La radiación y su naturaleza corpuscular, se describe con más detalle la naturaleza del efecto fotoeléctrico y sus implicaciones en la física.

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