El efecto fotoeléctrico y el efecto Compton

En el primer tercio del siglo XX, empezaron a conocerse algunas particularidades del electrón en fenómenos que asentaron las nacientes teorías de la relatividad y la mecánica cuántica. Entre ellas destacan las manifestaciones conocidas como efecto fotoeléctrico y efecto Compton, dos formas de interacción entre los electrones y la radiación electromagnética.

El efecto fotoeléctrico

En 1887, el físico alemán Heinrich Hertz (1857-1894) descubrió accidentalmente que la luz ultravioleta modificaba el voltaje al que se producían chispas entre los electrodos metálicos. El alemán Philipp Lenard (1862-1947) describió este fenómeno, llamado efecto fotoeléctrico, como la emisión de electrones por parte de las superficies metálicas cuando sobre ellas incide luz visible o ultravioleta, y llegó a dos conclusiones básicas:

  • La energía cinética máxima que pueden alcanzar los electrones emitidos no depende de la intensidad de la radiación incidente.
  • En el efecto fotoeléctrico, la emisión de electrones es instantánea.

Esquema del efecto fotoeléctrico: al incidir haces de luz (fotones) sobre ciertos materiales, se produce una emisión de electrones.

Explicación de Einstein

En 1905, Albert Einstein (1879-1955) ofreció una sugerente explicación del efecto fotoeléctrico. Según Einstein, la radiación electromagnética está formada por partículas, a las que llamó fotones, cuya energía sería proporcional a la frecuencia de la onda asociada. De este modo, el intercambio de energía entre la radiación y la materia sólo sería posible en valores múltiplos de un cuanto elemental, como el traspaso de un número entero de fotones. Entonces:

  • Al incidir la onda sobre la superficie metalica, un electrón en reposo absorbe un fotón de energía Ef = hn, siendo n la frecuencia de la onda y h la constante de Planck.
  • Si W es la energía necesaria para extraer al electrón de la superficie metálica, este escaparia de la misma con una energía cinética Ec = hn - W.

De esta forma se explican satisfactoriamente las propiedades del efecto fotoeléctrico:

  • La energía cinética máxima obtenida depende solo de la frecuencia de la radiación incidente, pero no de su intensidad. En cambio, el numero de electrones emitidos es función de la cantidad de fotones incidentes (es decir, de la intensidad de la radiación).
  • La emisión de electrones es instantánea, como la transferencia de energía fotón-electrón.

Además, Einstein estableció que para que se produzca el efecto fotoeléctrico es necesario superar un valor umbral de frecuencia de la radiación, sea cual sea su intensidad:

El efecto Compton

El efecto Compton es un fenómeno por el cual la radiación electromagnética que incide sobre ciertas superficies sale con una longitud de onda mayor que la de entrada.

Este fenómeno, observado en 1923 por el físico estadounidense Arthur Holly Compton (1892-1962) en el curso de investigaciones realizadas sobre la difusión de los rayos X, sólo puede explicarse a partir de los principios de la mecánica cuántica. Así, si se considera que la radiación electromagnética está constituida por cuantos de energía llamados fotones, en su interacción con la materia puede absorberse parte de estos fotones. En tal caso, la energía global de la radiación disminuiría, y también su frecuencia, con lo que aumentaría la longitud de onda.

Longitud de onda de Compton

El efecto Compton puede cuantificarse dentro del marco teórico ofrecido por Planck y Einstein acerca de la energía electromagnética. Considerando que la masa de los cuantos de esta radiación (fotones) es Ef = hn, que también se puede escribir como Ef = w, siendo = h / 2p, el momento lineal de cada fotón viene definido por:

Mediante las leyes de conservación del momento lineal y de la energía se obtiene que la diferencia entre las longitudes de onda de entrada y salida del fotón en la interacción viene dada por:

siendo q el ángulo de desviación de la trayectoria del fotón y lc una constante llamada longitud de onda de Compton del electrón, cuyo valor viene dado por:

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