El efecto fotoeléctrico, ¿En qué consiste?

Los antecedentes del efecto fotoeléctrico

En el año 1839, el célebre físico francés Edmond Becquerel, hijo del fundador de la electroquímica Antoine-César Becquerel, describió por primera vez el efecto fotovoltaico, que es el proceso de transformación de la energía lumínica en energía eléctrica. De hecho, creó una primitiva celda solar con electrodos de platino recubiertos de cloruro de plata capaz de generar voltaje al exponerse a la luz del Sol.

Más curiosa es la historia de Willoughby Smith, quien descubrió la fotoconductividad de los materiales unos años después, en 1873. Trabajaba como ingeniero eléctrico y empleaba barras de selenio para detectar fallos en el cableado submarino. Smith percibió un curioso fenómeno: por la noche, la conductividad de las barras de selenio era óptima, pero no cuando estaban expuestas a la luz diurna. Después de realizar distintos experimentos, publicó sus conclusiones en el Journal of the Society of Telegraph Engineers en 1973.

Apenas una década después, en 1884, el inventor neoyorquino Charles Fritts creó el primer panel solar de la historia. Extendió una capa de selenio sobre una plancha de metal y la recubrió con una fina película de pan de oro. Aunque este panel alcanzaba una eficiencia de entre el 1 y el 2%, un rendimiento muy inferior al de los modernos, le permitió concluir que su invento produjo “una corriente continua, constante y de una fuerza considerable”.

De Heinrich Hertz a Albert Einstein

Antes incluso de los hallazgos de Smith, James Clerk Maxwell, físico y matemático escocés, logró unificar la electricidad y el magnetismo en 1864 con una serie de ecuaciones que, en la práctica, describían el comportamiento del electromagnetismo. Heinrich Hertz, físico alemán, pudo corroborar la existencia de las ondas electromagnéticas a través de sus experimentos. En sus ensayos, descubrió un “fenómeno nuevo” accidentalmente: la chispa entre dos esferas metálicas era más brillante cuando sobre alguna de ellas incidía luz ultravioleta.

Hertz murió prematuramente, a los 36 años, y no pudo encontrar explicación a este fenómeno en vida. Recordemos que por entonces no se había descrito el electrón. Fue J. J. Thompson, científico británico, quien sostuvo en 1899 que las partículas emitidas por el efecto fotoeléctrico eran electrones. Y ya en 1902, Phillip Lenard, físico húngaro que había sido ayudante de Hertz, demostró de forma experimental el efecto fotoeléctrico al conectar dos placas metálicas a una batería y hacer incidir luz ultravioleta en una de ellas.

Sin embargo, aunque la historia del efecto fotoeléctrico se remonta hasta la primera mitad del siglo XIX, a comienzos del XX se conocían tres hechos empíricos (demostrados a través de experimentos) sobre este fenómeno que contradecía la física conocida, pero se carecía de un marco teórico. Es entonces cuando entra en escena, en 1905, una de las mentes más brillantes de la historia: Albert Einstein.

Einstein explicó el efecto fotoeléctrico a través de su teoría cuántica de la luz, que interpretaba los fenómenos de interacción entre la radiación y la materia electrodinámica que sus predecesores no habían podido esclarecer. De acuerdo con el físico alemán, la luz está compuesta por pequeñas partículas con diferente energía según la frecuencia de la radiación.

De acuerdo con Einstein, cada vez que se dispara un electrón desaparece un fotón y la energía de impulso del electrón es igual a la energía del fotón desaparecido menos la energía que lo mantenía unido a los núcleos del metal (función de trabajo).

Conclusión

La energía de los fotones viene dada por la frecuencia de la luz. Si un electrón absorbe la energía de un fotón y este tiene más energía que la función de trabajo, el electrón sale disparado. Al aumentar la intensidad del haz de luz no cambia la energía de los fotones, solo su número. Así que la energía de los electrones emitidos no depende de la intensidad, sino de la energía de los fotones. En cambio, si la energía del fotón es demasiado baja como para impulsar al electrón, esta energía es reemitida y los electrones no obtendrán suficiente energía como para salir de la superficie metálica.

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