efecto fotoeléctrico
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Efecto fotoeléctrico
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Un diagrama ilustrando la emisión de los electrones de una placa metálica, requiriendo de la
energía que es absorbida de un fotón.
El efecto fotoeléctrico consiste en la emisión de electrones por un metal o fibra de carbono
cuando se hace incidir sobre él una radiación electromagnética (luz visible o ultravioleta, engeneral). A veces se incluyen en el término otros tipos de interacción entre la luz y la materia:
• Fotoconductividad: es el aumento de la conductividad eléctrica de la materia o en
diodos provocada por la luz. Descubierta por Willoughby Smith en el selenio hacia la
mitad del siglo XIX.• Efecto fotovoltaico: transformación parcial de la energía luminosa en energía
eléctrica. La primera célula solar fue fabricada por Charles Fritts en 1884. Estaba
formada por selenio recubierto de una fina capa de oro.
El efecto fotoeléctrico fue descubierto y descrito por Heinrich Hertz en 1887, al observar que
el arco que salta entre dos electrodos conectados a alta tensión alcanza distancias mayores
cuando se ilumina con luz ultravioleta que cuando se deja en la oscuridad. La explicación
teórica fue hecha por Albert Einstein, quien publicó en 1905 el revolucionario artículo“Heurística de la generación y conversión de la luz”, basando su formulación de la
fotoelectricidad en una extensión del trabajo sobre los cuantos de Max Planck . Más tarde
Robert Andrews Millikan pasó diez años experimentando para demostrar que la teoría deEinstein no era correcta, para finalmente concluir que sí lo era. Eso permitió que Einstein y
Millikan fueran condecorados con premios Nobel en 1921 y 1923, respectivamente.
Se podría decir que el efecto fotoeléctrico es lo opuesto a los rayos X, ya que el efecto
fotoeléctrico indica que los fotones luminosos pueden transferir energía a los electrones. Losrayos X (no se sabía la naturaleza de su radiación, de ahí la incógnita "X") son la
transformación en un fotón de toda o parte de la energía cinética de un electrón en
movimiento. Esto se descubrió casualmente antes de que se dieran a conocer los trabajos dePlanck y Einstein (aunque no se comprendió entonces
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Electrón
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Electrón e−
Representación en corte transversal de los orbitales s, p y d
del átomo de hidrógeno para los tres primeros números
cuánticos. La intensidad del color indica la densidad de
probabilidad.
Clasificación Partículas elementales
Familia Fermión
Grupo Leptón
Generación Primera
Interacción Gravedad,
Electromagnetismo,
Nuclear débil
Símbolo(s) e−
Antipartícula Positrón
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Teorizada Richard Laming (1838–1851),
G. Johnstone Stoney (1874) y
otros.
Descubierta J. J. Thomson (1897)
Masa 9,109 382 91(40)×10−31 kg1
5,485 799 094 6(22)×10−4 uma2
0,510 998 928(11) MeV3
Carga eléctrica −1 e
−1.602 176 565(35)×10−19 C4
Momento magnético −1.00115965218111 μB
Carga de color -
Espín ± 1/2
El electrón (del griego λεκτρονἤ , ámbar ), comúnmente representado por el símbolo: e−, es
una partícula subatómica de tipo fermiónico. En un átomo los electrones rodean el núcleo,
compuesto únicamente de protones y neutrones, formando orbitales atómicos dispuestos en
sucesivas capas.
Los electrones tienen una masa de 9,11×10-31 kilogramos, unas 1840 veces menor que la de
los neutrones y protones. Siendo tan livianos, apenas contribuyen a la masa total de las
sustancias. Su movimiento genera la corriente eléctrica, aunque dependiendo del tipo deestructura molecular en la que se encuentren, necesitarán más o menos energía para
desplazarse. Estas partículas desempeñan un papel primordial en la química, ya que definen
las atracciones entre los átomos (v.g. enlace químico).
Desde el punto de vista físico, el electrón tiene una carga eléctrica de igual magnitud, pero de polaridad contraria a la del protón. Dicha cantidad, cuyo valor es de 1,602×10 -19 coulombios,
es llamada carga elemental o fundamental, y es considera a veces un cuanto de cargaeléctrica, asignándosele un valor unitario. Por razones históricas y ventajas en ecuacionesmatemáticas, se considera a la carga del protón como positiva, mientras que a la del electrón
como negativa. Por esto se dice que los protones y electrones tienen cargas de +1 y -1
respectivamente, aunque esta elección de signo es totalmente arbitraria
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Historia y descubrimiento
La existencia del electrón fue postulada por el físico irlandés G. Johnstone Stoney como unaunidad de carga en el campo de la electroquímica, y fue descubierto por Joseph John
Thomson en 1897 en el Laboratorio Cavendish de la Universidad de Cambridge.5
Influido por el trabajo de Maxwell y el descubrimiento de los rayos X, Thomson dedujo,mientras estudiaba el comportamiento de los rayos catódicos en el TRC, que existían unas
partículas con carga negativa que denominó corpúsculos. Aunque Stoney había propuesto la
existencia del electrón, fue Thomson quien descubrió su carácter de partícula fundamental;
sin embargo, para confirmar su existencia era necesario medir sus propiedades, en particular la carga eléctrica. Este objetivo fue alcanzado por Robert Millikan en el célebre experimento
de la gota de aceite realizado en 1909.
George Paget Thomson, hijo de J. J. Thomson, demostró la naturaleza ondulatoria de los
electrones logrando observar su difracción al atravesar una lámina de metal. El experimento
condujo a la aparición de un patrón de interferencia como el que se obtiene en la difracciónde otras ondas, como la luz, probando la dualidad onda corpúsculo postulada por la mecánica
cuántica en 1926 por De Broglie. Este descubrimiento le valió a G. P. Thomson el Premio Nobel de Física de 1937.
El espín del electrón se observó por vez primera en el experimento de Stern y Gerlach. Su
carga eléctrica puede medirse directamente con un electrómetro y la corriente generada por
su movimiento, con un galvanómetro. Seis años antes de los descubrimientos de Thomson,Stoney había propuesto la existencia de estas partículas y, asumiendo que tenían cargas
eléctricas, las denominó electrones. Posteriormente, otros científicos demostraron
experimentalmente que el electrón tiene una masa 2000 veces menor que el átomo de
hidrógeno.
[editar] Siglo XVIII: termodinámica y óptica
A partir del Siglo XVIII Boyle y Young desarrollaron la termodinámica. En 1733 Bernoulli
usó argumentos estadísticos, junto con la mecánica clásica, para extraer resultados de la
termodinámica, iniciando la mecánica estadística. En 1798 Thompson demostró laconversión del trabajo mecánico en calor y en 1847 Joule formuló la ley de conservación de
la energía.
En el campo de la óptica el siglo comenzó con la teoría corpuscular de la luz de Newton
expuesta en su famosa obra Opticks. Aunque las leyes básicas de la óptica geométrica habíansido descubiertas algunas décadas antes, el siglo XVIII fue rico en avances técnicos en este
campo produciéndose las primeras lentes acromáticas, midiéndose por primera vez la
velocidad de la luz y descubriendo la naturaleza espectral de la luz. El siglo concluyó con el
célebre experimento de Young de 1801 en el que se ponía de manifiesto la interferencia de laluz demostrando la naturaleza ondulatoria de ésta.
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[editar] Siglo XIX: electromagnetismo y estructura atómica
La investigación física de la primera mitad del siglo XIX estuvo dominada por el estudio delos fenómenos de la electricidad y el magnetismo. Coulomb, Luigi Galvani, Faraday, Ohm y
muchos otros físicos famosos estudiaron los fenómenos dispares y contraintuitivos que se
asocian a este campo. En 1855 Maxwell unificó las leyes conocidas sobre el comportamientode la electricidad y el magnetismo en una sola teoría con un marco matemático común
mostrando la naturaleza unida del electromagnetismo. Los trabajos de Maxwell en el
electromagnetismo se consideran frecuentemente equiparables a los descubrimientos de Newton sobre la gravitación universal y se resumen con las conocidas, ecuaciones de
Maxwell, un conjunto de cuatro ecuaciones capaz de predecir y explicar todos los fenómenos
electromagnéticos clásicos. Una de las predicciones de esta teoría era que la luz es una ondaelectromagnética. Este descubrimiento de Maxwell proporcionaría la posibilidad del
desarrollo de la radio unas décadas más tarde por Heinrich Hertz en 1888.
En 1895 Roentgen descubrió los rayos X, ondas electromagnéticas de frecuencias muy altas.
Casi simultáneamente, Henri Becquerel descubría la radioactividad en 1896. Este campo sedesarrolló rápidamente con los trabajos posteriores de Pierre Curie, Marie Curie y muchos
otros, dando comienzo a la física nuclear y al comienzo de la estructura microscópica de la
materia.
En 1897 Thomson descubrió el electrón, la partícula elemental que transporta la corriente enlos circuitos eléctricos proponiendo en 1904 un primer modelo simplificado del átomo.
[editar] Siglo XX: segunda revolución de la física
El siglo XX estuvo marcado por el desarrollo de la física como ciencia capaz de promover el
desarrollo tecnológico. A principios de este siglo los físicos consideraban tener una visióncasi completa de la naturaleza. Sin embargo pronto se produjeron dos revoluciones
conceptuales de gran calado: El desarrollo de la teoría de la relatividad y el comienzo de lamecánica cuántica.
En 1905 Albert Einstein, formuló la teoría de la relatividad especial, en la cual el espacio y el
tiempo se unifican en una sola entidad, el espacio-tiempo. La relatividad formula ecuacionesdiferentes para la transformación de movimientos cuando se observan desde distintos
sistemas de referencia inerciales a aquellas dadas por la mecánica clásica. Ambas teorías
coinciden a velocidades pequeñas en relación a la velocidad de la luz. En 1915 extendió la
teoría especial de la relatividad para explicar la gravedad, formulando la teoría general de la
relatividad, la cual sustituye a la ley de la gravitación de Newton.
En 1911 Rutherford dedujo la existencia de un núcleo atómico cargado positivamente a partir
de experiencias de dispersión de partículas. A los componentes de carga positiva de este
núcleo se les llamó protones. Los neutrones, que también forman parte del núcleo pero no poseen carga eléctrica, los descubrió Chadwick en 1932.
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En los primeros años del Siglo XX Planck , Einstein, Bohr y otros desarrollaron la teoría
cuántica a fin de explicar resultados experimentales anómalos sobre la radiación de loscuerpos. En esta teoría, los niveles posibles de energía pasan a ser discretos. En 1925
Heisenberg y en 1926 Schrödinger y Dirac formularon la mecánica cuántica, en la cual
explican las teorías cuánticas precedentes. En la mecánica cuántica, los resultados de las
medidas físicas son probabilísticos; la teoría cuántica describe el cálculo de estas probabilidades.
La mecánica cuántica suministró las herramientas teóricas para la física de la materia
condensada, la cual estudia el comportamiento de los sólidos y los líquidos, incluyendo
fenómenos tales como estructura cristalina, semiconductividad y superconductividad. Entrelos pioneros de la física de la materia condensada se incluye Bloch, el cual desarrolló una
descripción mecano-cuántica del comportamiento de los electrones en las estructuras
cristalinas (1928).
La teoría cuántica de campos se formuló para extender la mecánica cuántica de manera
consistente con la teoría especial de la relatividad. Alcanzó su forma moderna a finales de los1940s gracias al trabajo de Feynman, Schwinger , Tomonaga y Dyson. Ellos formularon la
teoría de la electrodinámica cuántica, en la cual se describe la interacción electromagnética.
La teoría cuántica de campos suministró las bases para el desarrollo de la física de partículas,
la cual estudia las fuerzas fundamentales y las partículas elementales. En 1954 Yang y Mills
desarrollaron las bases del modelo estándar .
La física cuántica es un área relativamente reciente (el término "mecánicacuántica fue utilizado por primera vez de mano de Max Born en 1924,aunque se sugiere en el trabajo de Planck durante el año 1900) de la físicaque estudia lo más pequeño, o sea la materia a escala atómica. Surge en el
siglo XX y rompió con todos los paradigmas de la física que habíanprevalecido hasta ese entonces. La física cuántica responde a ciertasapariencias engañosas a partir de probabilidades sobre el comportamientode los átomos de la materia. Quien sentó las bases para la creación de lafísica cuántica fue el norteamericano Albert Einstein.
La física o mecánica cuántica surge de la imposibilidad de la mecánicaclásica para explicar satisfactoriamente los fenómenos a una escalaatómica; a ese nivel los fenómenos tienen la característica de ser estudiadospor necesidad en términos probabilísticos; dado que las partículas enestudio son tan pequeñas, que el solo hecho de observarlas (paraobservarlas se debe "interactuar" de alguna manera con ellas, lo cual tiene aesta escala un efecto sobre su trayectoria o comportamiento) altera el
fenómeno observado, por lo que no se puede conocer con exactitud entérminos clásicos su posición y velocidad al mismo tiempo, por ejemplo. Delo anterior surgen ecuaciones de onda en donde las variables para definir elcomportamiento de estas partículas se expresan en términos deprobabilidades, lo que se conoce a su vez como incertidumbre.
Lo comentado anteriormente, es importante destacar, se ha prestado paramuchas interpretaciones pseudo religiosas sobre las implicancias de estaciencia, lo cual es rechazado por la comunidad científica en general; esta
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incertidumbre o expresión probabilística del comportamiento de laspartículas a escala muy pequeña, tiene por supuesto relación con el hechode intentar "observarlas", pero no quiere decir que el observador cree supropia realidad debido al nexo que hay entre el y la materia a esta escala;esta es una interpretación bastante distorsionada del fenómeno, lo cual no
quiere decir que en algún momento la mecánica cuántica no pueda aportar luz sobre fenómenos que aún no tienen una explicación satisfactoria desdeel punto de vista científico más clásico. Autores de libros del tipo de "autoayuda" se escudan en el poco conocimiento que existe sobre el tema para ellector común y su complejidad, para apoyar o justificar de manera "científica"sus aseveraciones sobre la realidad que en verdad no tienen base o
justificación.
Volviendo a nuestro tema, la física cuántica presenta dos pilaresfundamentales; las partículas intercambian energía o "paquetes" enmúltiplos enteros llamados quantum ( literalmente cantidad) de energía. Y ensegundo lugar la posición de una partícula se define por la descripción de laprobabilidad de que aquella partícula se sitúe en esa posición y en ese
mismo instante.
Por ejemplo el intercambio de energía en un cuerpo negro (incide toda laenergía sobre él) fue inexplicable para la física clásica. La explicación alfenómeno vino de la mano del físico alemán Max Planck, mediante lacuantización de la energía, es decir, valores o paquetes de energía quellamó quantum o "cuantos" . Concluyó que todo cuerpo negro irradia energía(una longitud de onda) que dependerá de tu temperatura. Se comprobótambién la naturaleza dual que presenta la luz; de ondulatoria por un lado, yde partículas por el otro.
La física cuántica tiene aplicaciones principalmente a nivel atómico ynuclear. Pero también es utilizada por ámbitos como la electrónica, aparatos
médicos (radiología, cirugía láser), criptolofía, astronomía, entre otros más.Para estudiar la materia a estas escalas se utilizan grandes aceleradores departículas, en donde los físicos realizan sus experimentos produciendocolisiones de partículas elementales a alta velocidad.