¿Qué ocurre en el efecto foto cuando el haz de luz es muy débil, pero de frecuencia suficiente para emitir electrones?

Question

He oído hablar de un experimento de este tipo, pero no tengo suficiente información al respecto.

Para explicar mejor la cuestión, citaré una breve información del libro:

"La naturaleza corpuscular de la luz se ve muy bien cuando se utiliza una luz muy baja, pero con frecuencias suficientes para que se produzca un efecto fotográfico. Entonces el fotoefecto se produce después de varios minutos, justo cuando un fotón golpea un pequeño objetivo (electrón)".

Me gustaría saber más información sobre este experimento. Mi búsqueda en Internet ha sido infructuosa.

Me interesa especialmente si después de que se produzca el efecto de la foto (tras varios minutos), el efecto de la foto se producirá de forma continua, o de nuevo tardará varios minutos en producirse el efecto de la foto. Yo esperaría que volviera a tardar más minutos en producirse el siguiente efecto fotográfico (según las estadísticas). Sin embargo, es posible que el experimento no lo confirme.

Answer 1

Se puede encontrar una gran explicación del efecto fotoeléctrico y su significado aquí .

No estoy seguro de cuál es tu nivel de comprensión, así que intentaré utilizar algunas analogías sencillas y podrás decirme si estoy apuntando demasiado alto o demasiado bajo.

En términos sencillos, el famoso experimento de Albert Einstein sobre el efecto fotoeléctrico consistía en exponer sodio metálico a varias frecuencias e intensidades de luz y utilizar un detector para medir la energía de los electrones emitidos. La "frecuencia" describe la frecuencia con la que una onda pasa por un determinado punto: piense en la proximidad de las crestas de las olas en el océano. Eso es la frecuencia. La intensidad está relacionada con la potencia que transporta una onda: piense en el tamaño de las olas en el océano.

El siguiente gráfico resume los resultados del experimento de Einstein:

Los resultados de este experimento fueron bastante sorprendentes y cambiaron por completo nuestra comprensión de la naturaleza de la luz. Para entender por qué, es útil recordar que en aquella época (1905), la mayoría de los físicos entendían que la luz era un onda . En muchos aspectos, la luz se comporta como una onda. La luz tiene una frecuencia y transporta energía como una ola en el océano; pero este experimento demostró que la teoría ondulatoria de la luz no puede ser toda la historia. Veamos por qué.

En primer lugar, se comprobó que la luz por debajo de una determinada frecuencia no provocaba la emisión de electrones, sin importar la intensidad del haz de luz . Aunque se aumente la potencia y se envíe un haz de luz de muy alta intensidad, no se "desprenderán" electrones si la frecuencia de la luz es demasiado baja.

En segundo lugar, el experimento demostró que la intensidad de la luz aumentó la número de electrones emitidos, pero no tuvo ningún efecto sobre su energía .

Por lo tanto, las conclusiones clave de este experimento fueron:

1. Un haz de luz de baja intensidad puede producir electrones de alta energía si la frecuencia de la luz es alta.
2. Existe una frecuencia mínima por debajo de la cual ni siquiera un haz de luz de alta intensidad puede producir un solo electrón.
3. Al aumentar la intensidad de la luz se incrementa la número de los electrones, pero al aumentar la frecuencia de la luz aumenta la energía de los electrones.

No esperaríamos que ocurrieran estas dos cosas si la luz fuera sólo una onda. ¿Por qué no?

Las ondas transportan energía cuando se desplazan. La intensidad de la luz es como el "brillo" de una bombilla. Un rayo de luz de mayor intensidad transporta más energía, como si una ola normal de playa tuviera suficiente energía para derribar un castillo de arena, pero un tsunami tuviera suficiente energía para derribar una ciudad. Del mismo modo, podríamos esperar que un haz de luz de alta intensidad produjera electrones de mayor energía. Sin embargo, esto es no lo que ocurre en el experimento fotoeléctrico. Si aplicáramos los resultados del efecto fotoeléctrico a nuestra playa imaginaria, es decir, si utilizáramos "castillos derribados" como analogía de la emisión de electrones, encontraríamos que:

1. Una pequeña ola de baja intensidad podría derribar una ciudad si las crestas de las olas estuvieran lo suficientemente juntas.
2. Un tsunami gigante no podría derribar un castillo de arena si las cimas de las olas estuvieran demasiado separadas.
3. Aumentar la intensidad de las olas aumentaría el número de castillos de arena que podríamos derribar, pero aumentar la frecuencia es la única forma de aumentar el tamaño del edificio que podríamos derribar.

Si esto parece una locura y una extrañeza, es porque lo es. Las olas en la playa no se comportan así. Por eso el efecto fotoeléctrico fue la primera gran pista de que no se puede explicar totalmente el comportamiento de la luz comparándola con una onda.

La mejor explicación de este comportamiento es que la luz a veces actúa como una onda, pero otras veces actúa como pequeñas partículas llamadas "fotones", algo así como diminutas pelotas de ping-pong que vuelan por el espacio. Cada fotón lleva una cierta cantidad de energía que depende de su frecuencia. Por eso la luz de baja frecuencia no puede desprender los electrones del sodio metálico: ¡los fotones individuales no tienen suficiente energía! Cuando aumentas la intensidad de la luz, sólo estás aumentando la número de fotones, no el energía de esos fotones. Si ninguna de estas partículas de luz tiene suficiente energía para expulsar un electrón, no importa cuántas se añadan: simplemente no va a ocurrir.

Esta idea de que la luz es tanto una onda como una partícula es muy importante para entender gran parte del mundo que nos rodea, y es crucial para las ciencias físicas. Es una de esas cosas en las que la evidencia muestra que la luz no es realmente como nada con lo que podamos compararlo en nuestra vida cotidiana: es algo único que obedece a sus propias reglas.

Espero que eso ayude.