Efecto fotoeléctrico

Siglo XIX

En 1839, Alexandre Edmond Becquerel descubrió el efecto fotovoltaico mientras estudiaba el efecto de la luz sobre las células electrolíticas. Aunque no es equivalente al efecto fotoeléctrico, su trabajo sobre la fotovoltaica fue decisivo para mostrar una fuerte relación entre la luz y las propiedades electrónicas de los materiales. En 1873, Willoughby Smith descubrió la fotoconductividad en el selenio mientras probaba el metal por sus propiedades de alta resistencia en conjunción con su trabajo sobre los cables telegráficos submarinos.

Johann Elster (1854-1920) y Hans Geitel (1855-1923), estudiantes en Heidelberg, investigaron los efectos producidos por la luz en los cuerpos electrificados y desarrollaron las primeras células fotoeléctricas prácticas que podían utilizarse para medir la intensidad de la luz.:458 Ordenaron los metales con respecto a su poder de descarga de electricidad negativa: rubidio, potasio, aleación de potasio y sodio, sodio, litio, magnesio, talio y zinc; para el cobre, el platino, el plomo, el hierro, el cadmio, el carbono y el mercurio los efectos con luz ordinaria eran demasiado pequeños para ser medibles. El orden de los metales para este efecto era el mismo que en la serie de Volta para la electricidad de contacto, los metales más electropositivos daban el mayor efecto fotoeléctrico.

El electroscopio de hoja de oro para demostrar el efecto fotoeléctrico. Cuando el electroscopio está cargado negativamente, hay un exceso de electrones y las hojas se separan. Si la luz de baja longitud de onda y alta frecuencia (como la luz ultravioleta obtenida de una lámpara de arco, o quemando magnesio, o utilizando una bobina de inducción entre los terminales de zinc o cadmio para producir chispas) brilla sobre la tapa, el electroscopio se descarga y las hojas caen flácidas. Sin embargo, si la frecuencia de las ondas luminosas es inferior al valor umbral de la tapa, las hojas no se descargan, independientemente del tiempo que se ilumine la tapa.

En 1887, Heinrich Hertz observó el efecto fotoeléctrico e informó sobre la producción y recepción de ondas electromagnéticas. El receptor de su aparato consistía en una bobina con un hueco de chispa, donde se veía una chispa al detectar las ondas electromagnéticas. Colocó el aparato en una caja oscura para ver mejor la chispa. Sin embargo, observó que la longitud máxima de la chispa se reducía cuando estaba dentro de la caja. Un panel de cristal colocado entre la fuente de ondas electromagnéticas y el receptor absorbía la radiación ultravioleta que ayudaba a los electrones a saltar a través del hueco. Al retirarlo, la longitud de la chispa aumentaba. No observó ninguna disminución de la longitud de la chispa cuando sustituyó el cristal por cuarzo, ya que el cuarzo no absorbe la radiación ultravioleta.

Los descubrimientos de Hertz condujeron a una serie de investigaciones de Hallwachs, Hoor, Righi y Stoletov sobre el efecto de la luz, y especialmente de la luz ultravioleta, sobre los cuerpos cargados. Hallwachs conectó una placa de zinc a un electroscopio. Dejó que la luz ultravioleta cayera sobre una placa de zinc recién limpiada y observó que la placa de zinc se quedaba sin carga si estaba inicialmente cargada negativamente, se cargaba positivamente si estaba inicialmente sin carga y se cargaba más positivamente si estaba inicialmente cargada positivamente. A partir de estas observaciones concluyó que algunas partículas cargadas negativamente eran emitidas por la placa de zinc cuando se exponía a la luz ultravioleta.

Con respecto al efecto Hertz, los investigadores mostraron desde el principio la complejidad del fenómeno de la fatiga fotoeléctrica: la disminución progresiva del efecto observado sobre superficies metálicas frescas. Según Hallwachs, el ozono desempeñaba un papel importante en el fenómeno, y la emisión estaba influida por la oxidación, la humedad y el grado de pulido de la superficie. En aquel momento no estaba claro si la fatiga estaba ausente en el vacío.

En el período comprendido entre 1888 y 1891, Aleksandr Stoletov realizó un análisis detallado del fotoefecto con resultados recogidos en seis publicaciones. Stoletov inventó un nuevo montaje experimental que era más adecuado para un análisis cuantitativo del fotoefecto. Descubrió una proporcionalidad directa entre la intensidad de la luz y la corriente fotoeléctrica inducida (la primera ley del fotoefecto o ley de Stoletov). Midió la dependencia de la intensidad de la corriente fotoeléctrica con respecto a la presión del gas, donde encontró la existencia de una presión de gas óptima correspondiente a una fotocorriente máxima; esta propiedad fue utilizada para la creación de células solares.

Muchas sustancias, además de los metales, descargan electricidad negativa bajo la acción de la luz ultravioleta. G. C. Schmidt y O. Knoblauch recopilaron una lista de estas sustancias.

En 1899, J. J. Thomson investigó la luz ultravioleta en los tubos de Crookes. Thomson dedujo que las partículas expulsadas, a las que llamó corpúsculos, eran de la misma naturaleza que los rayos catódicos. Estas partículas se conocieron posteriormente como electrones. Thomson encerró una placa metálica (un cátodo) en un tubo de vacío y la expuso a una radiación de alta frecuencia. Se pensó que los campos electromagnéticos oscilantes hacían resonar el campo de los átomos y, tras alcanzar una determinada amplitud, provocaban la emisión de un corpúsculo subatómico y la detección de corriente. La cantidad de esta corriente variaba con la intensidad y el color de la radiación. Una mayor intensidad o frecuencia de la radiación produciría más corriente.

Durante los años 1886-1902, Wilhelm Hallwachs y Philipp Lenard investigaron en detalle el fenómeno de la emisión fotoeléctrica. Lenard observó que una corriente fluye a través de un tubo de vidrio evacuado que encierra dos electrodos cuando la radiación ultravioleta cae sobre uno de ellos. En cuanto se detiene la radiación ultravioleta, la corriente también se detiene. Esto inició el concepto de emisión fotoeléctrica. El descubrimiento de la ionización de los gases por la luz ultravioleta fue realizado por Philipp Lenard en 1900. Como el efecto se producía a lo largo de varios centímetros de aire y producía un mayor número de iones positivos que negativos, era natural interpretar el fenómeno, como hizo J. J. Thomson, como un efecto Hertz sobre las partículas presentes en el gas.

Siglo XXEditar

En 1902, Lenard observó que la energía de los electrones individuales emitidos aumentaba con la frecuencia (que está relacionada con el color) de la luz. Esto parecía contradecir la teoría ondulatoria de la luz de Maxwell, que predecía que la energía de los electrones sería proporcional a la intensidad de la radiación.

Lenard observó la variación de la energía de los electrones con la frecuencia de la luz utilizando una potente lámpara de arco eléctrico que le permitía investigar grandes cambios de intensidad, y que tenía suficiente potencia para permitirle investigar la variación del potencial del electrodo con la frecuencia de la luz. Encontró la energía de los electrones relacionándola con el potencial máximo de parada (tensión) en un fototubo. Descubrió que la energía cinética máxima de los electrones está determinada por la frecuencia de la luz. Por ejemplo, un aumento de la frecuencia da lugar a un aumento de la energía cinética máxima calculada para un electrón en el momento de la liberación: la radiación ultravioleta requeriría un potencial de parada aplicado mayor para detener la corriente en un fototubo que la luz azul. Sin embargo, los resultados de Lenard eran más cualitativos que cuantitativos debido a la dificultad de realizar los experimentos: los experimentos debían realizarse en metal recién cortado para poder observar el metal puro, pero éste se oxidaba en cuestión de minutos incluso en los vacíos parciales que utilizaba. La corriente emitida por la superficie estaba determinada por la intensidad de la luz, o el brillo: al duplicar la intensidad de la luz se duplicaba el número de electrones emitidos por la superficie.

Las investigaciones de Langevin y las de Eugene Bloch han demostrado que la mayor parte del efecto Lenard se debe ciertamente al efecto Hertz. Sin embargo, el efecto Lenard sobre el propio gas existe. Refundado por J. J. Thomson y luego, de forma más decisiva, por Frederic Palmer, Jr. se estudió la fotoemisión gaseosa y mostró características muy diferentes a las que en un principio le atribuyó Lenard.

En 1900, mientras estudiaba la radiación del cuerpo negro, el físico alemán Max Planck sugirió en su trabajo «Sobre la ley de distribución de la energía en el espectro normal» que la energía transportada por las ondas electromagnéticas sólo podía liberarse en paquetes de energía. En 1905, Albert Einstein publicó un artículo en el que avanzaba la hipótesis de que la energía de la luz se transportaba en paquetes discretos cuantificados para explicar los datos experimentales del efecto fotoeléctrico. Einstein teorizó que la energía de cada cuanto de luz era igual a la frecuencia de la luz multiplicada por una constante, más tarde llamada constante de Planck. Un fotón por encima de una frecuencia umbral tiene la energía necesaria para expulsar un solo electrón, creando el efecto observado. Este fue un paso clave en el desarrollo de la mecánica cuántica. En 1914, el experimento de Millikan apoyó el modelo de Einstein del efecto fotoeléctrico. Einstein recibió el Premio Nobel de Física en 1921 por «su descubrimiento de la ley del efecto fotoeléctrico», y Robert Millikan recibió el Premio Nobel en 1923 por «su trabajo sobre la carga elemental de la electricidad y sobre el efecto fotoeléctrico». En la teoría de las perturbaciones cuánticas de los átomos y los sólidos sobre los que actúa la radiación electromagnética, el efecto fotoeléctrico se sigue analizando comúnmente en términos de ondas; los dos enfoques son equivalentes porque la absorción de los fotones o de las ondas sólo puede producirse entre niveles de energía cuantizados cuya diferencia energética es la de la energía del fotón.

La descripción matemática de Albert Einstein de cómo el efecto fotoeléctrico era causado por la absorción de cuantos de luz se encontraba en uno de sus documentos Annus Mirabilis, llamado «On a Heuristic Viewpoint Concerning the Production and Transformation of Light». El artículo proponía una descripción sencilla de los cuantos de luz, o fotones, y mostraba cómo explicaban fenómenos como el efecto fotoeléctrico. Su sencilla explicación en términos de absorción de cuantos de luz discretos coincidía con los resultados experimentales. Explicaba por qué la energía de los fotoelectrones dependía sólo de la frecuencia de la luz incidente y no de su intensidad: a baja intensidad, la fuente de alta frecuencia podía suministrar unos pocos fotones de alta energía, mientras que a alta intensidad, la fuente de baja frecuencia no suministraría fotones de suficiente energía individual para desalojar ningún electrón. Se trataba de un enorme salto teórico, pero el concepto fue muy resistido al principio porque contradecía la teoría ondulatoria de la luz que se desprendía naturalmente de las ecuaciones del electromagnetismo de James Clerk Maxwell y, en general, la suposición de la divisibilidad infinita de la energía en los sistemas físicos. Incluso después de que los experimentos demostraran que las ecuaciones de Einstein para el efecto fotoeléctrico eran precisas, la resistencia a la idea de los fotones continuó.

El trabajo de Einstein predecía que la energía de los electrones individuales expulsados aumenta linealmente con la frecuencia de la luz. Quizás sorprendentemente, la relación precisa no había sido probada en ese momento. En 1905 se sabía que la energía de los fotoelectrones aumenta con el incremento de la frecuencia de la luz incidente y es independiente de la intensidad de la luz. Sin embargo, la forma del aumento no se determinó experimentalmente hasta 1914, cuando Robert Andrews Millikan demostró que la predicción de Einstein era correcta.

El efecto fotoeléctrico ayudó a impulsar el entonces emergente concepto de dualidad onda-partícula en la naturaleza de la luz. La luz posee simultáneamente las características de las ondas y de las partículas, manifestándose cada una de ellas según las circunstancias. El efecto era imposible de entender en términos de la descripción ondulatoria clásica de la luz, ya que la energía de los electrones emitidos no dependía de la intensidad de la radiación incidente. La teoría clásica predecía que los electrones «acumulaban» energía a lo largo de un periodo de tiempo y luego se emitían.