¿Por qué se cita el efecto fotoeléctrico como ejemplo de la naturaleza de partícula de los fotones?
El fotón no está golpeando físicamente al electrón, ¿verdad?
Está suministrando energía para romper el enlace, de ahí el función de trabajo de un metal.
Es como poner un grano de palomitas sobre una llama. Estalla porque se le ha suministrado energía, no porque el fuego lo haya golpeado.
¿Me estoy perdiendo algo?
La energía se suministra al metal en paquetes discretos.
Si se piensa en la luz como una onda, se puede esperar que un color de luz de baja energía pueda (eventualmente) liberar electrones del metal si se espera lo suficiente (a medida que se deposita más y más energía en el metal). Como los electrones no se liberan por debajo de un determinado umbral de energía (color de la luz que resulta ser la función de trabajo del metal), la conclusión es que la energía se entrega al metal en paquetes discretos (partículas).
Hay dos enfoques que dan resultados diferentes. La teoría ondulatoria clásica de la luz no consigue explicar algunos fenómenos del efecto fotoeléctrico, pero la teoría cuántica, que asume la naturaleza de partícula de la luz, los explica de forma fructífera.
Los fotones no dan su energía por partes, o dan toda la energía o ninguna. La energía dada a los electrones debe ser mayor o igual a la función de trabajo del metal, si el electrón va a ser expulsado. El exceso de energía se convertirá en la energía cinética del electrón.
Fallos de la teoría ondulatoria clásica de la luz para explicar las leyes del efecto fotoeléctrico :
(1) . $\space$ Según la teoría clásica de las ondas, si la intensidad de la onda aumenta, el vector campo eléctrico oscilante $E$ de la luz aumenta en amplitud $(Recall\space I \propto A^2 )$ . La fuerza aplicada al electrón en el metal será $eE$ debido a la radiación descendente y esta fuerza aumentará al aumentar la intensidad de la luz.
Esto sugiere que la energía cinética de los fotoelectrones emitidos también debería aumentar debido a la mayor fuerza aplicada para emitirlos a medida que el haz de luz se hace más intenso.
Sin embargo, las observaciones muestran que la energía cinética máxima es independiente de la intensidad de la luz (a frecuencia constante).
$KE_{max}=h\nu - h\nu_{\circ}$ ,
Como sugiere esta relación, La energía cinética máxima depende únicamente de la frecuencia de la radiación descendente.
(2). $\space$ Según la teoría ondulatoria, el efecto fotoeléctrico debería producirse a cualquier frecuencia de la luz, siempre que ésta sea lo suficientemente intensa como para suministrar la energía necesaria para expulsar los fotoelectrones.
Sin embargo, la observación muestra que el efecto fotoeléctrico no se produce si la frecuencia de la radiación descendente es inferior a la frecuencia umbral, aunque la luz sea muy intensa.
(3). $\space$ En la teoría clásica, la energía de la luz se distribuye uniformemente en el frente de onda. Por lo tanto, cuando la luz incide en el metal, la energía de la luz incidente no irá por completo a un electrón concreto del metal, sino que se distribuirá uniformemente a otros electrones también.
Por lo tanto, los electrones tardarán algún tiempo en acumular suficiente energía para escapar de la superficie del metal. Por lo tanto, debe haber un lapso de tiempo medible entre la incidencia de la luz en la superficie y la eyección del fotoelectrón.
Sin embargo, no se observa ningún desfase temporal. Los fotoelectrones son expulsados en el instante en que la luz incide sobre el metal.
Las explicaciones de la teoría cuántica :
(1). $\space$ Sea N el número de fotones que caen sobre la placa metálica por unidad de superficie y por unidad de tiempo entonces,
$N=\frac{IA}{h\nu}$
Ahora bien, si duplicamos la intensidad, duplicamos el número de fotones, lo que en consecuencia duplica la fotocorriente. Esto se hace sin cambiar la energía del fotón individual.
Por lo tanto, la energía cinética no aumenta cuando se duplica la intensidad de la luz (manteniendo constante la energía de cada fotón).
(2). El segundo problema se puede explicar si consideramos el caso $KE_{max}=0$ . En este caso tenemos,
$Work function\space (\phi)=h\nu_{\circ}$ .
Esto nos dice que el fotón tiene lo justo para expulsar los fotoelectrones y no aparece energía extra como energía cinética.
Si la frecuencia se reduce por debajo del umbral de frecuencia $(\nu_{\circ})$ En este caso, no se expulsarán fotoelectrones por muy intensa que sea la radiación.
Recuerda que, la intensidad de la radiación puede incrementarse aumentando el número de fotones en ella o aumentando la energía de cada fotón.
(3). $\space$ El tercer enigma se desprende de la teoría de los fotones, ya que la energía necesaria se suministra en forma de paquetes concentrados de energía (es decir, fotones).
La energía no se reparte uniformemente en la sección transversal del haz como en la teoría de las ondas.
La expulsión de fotoelectrones es instantánea. La diferencia de tiempo entre la incidencia de la luz y la emisión de fotoelectrones es muy muy pequeña, puede ser incluso menor que $10^{-9}s$ .
$Conclusion$ : En el efecto fotoeléctrico la luz exhibe su naturaleza de partícula. +1 para el fotón.
Para más información sobre la intensidad, consulte algunas de mis respuestas en estos enlaces: ¿El número de fotones de una radiación incidente es proporcional a su intensidad?
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