EL EFECTO FOTOELÉCTRICO Y LA FÍSICA CLÁSICA.

 La emisión de electrones por metales iluminados con luz de determinada frecuencia fue observada a finales del siglo XIX por Hertz y Hallwachs. El proceso por el cual se liberan electrones de un material por la acción de la radiación se denomina efecto fotoeléctrico o emisión fotoeléctrica. Sus características esenciales son:

• Para cada sustancia hay una frecuencia mínima o umbral de la radiación electromagnética por debajo de la cual no se producen fotoelectrones por más intensa que sea la radiación.

• La emisión electrónica aumenta cuando se incrementa la intensidad de la radiación que incide sobre la superficie del metal, ya que hay más energía disponible para liberar electrones.

En los metales hay electrones que se mueven más o menos libremente a través de la red cristalina, estos electrones no escapan del metal a temperaturas normales por que no tienen energía suficiente. Calentando el metal es una manera de aumentar su energía. Los electrones "evaporados" se denominan termoelectrones, este es el tipo de emisión que hay en las válvulas electrónicas. Vamos a ver que también se pueden liberar electrones (fotoelectrones) mediante la absorción por el metal de la energía de radiación electromagnética.

Descripción:

 Sea f la energía mínima necesaria para que un electrón escape del metal. Si el electrón absorbe una energía E, la diferencia E-f, será la energía cinética del electrón emitido.

Einstein explicó las características del efecto fotoeléctrico, suponiendo que cada electrón absorbía un cuanto de radiación o fotón. La energía de un fotón se obtiene multiplicando la constante h de Planck por la frecuencia f de la radiación electromagnética.

E=hf

Si la energía del fotón E, es menor que la energía de arranque f, no hay emisión fotoeléctrica. En caso contrario, si hay emisión y el electrón sale del metal con una energía cinética E_k igual a E-f.

Por otra parte, cuando la placa de área S se ilumina con cierta intensidad I, absorbe una energía en la unidad de tiempo, basta dividir dicha energía entre la cantidad hf para obtener el número de fotones que inciden sobre la placa en la unidad de tiempo. Como cada electrón emitido toma la energía de un único fotón, concluimos que el número de electrones emitidos en la unidad de tiempo es proporcional a la intensidad de la luz que ilumina la placa

 Las ondas electromagnéticas de luz aportan energía a los electrones del metal hasta que son capaz de arrancarlos del mismo:
1. Cuanto más intensa sea la luz, más energía adquirirán los electrones.
2. Si la luz es muy tenue, habrá que esperar un rato hasta que los electrones adquieren energía suficiente y son arrancados
3. Cualquier luz (longitud de onda) es válida para arrancar electrones.

"Radiación el cuerpo negro"

• La luz emitida por un cuerpo negro escapaba a la explicación de la física clásica.
• Kirchoff demostró que su espectro depende solo de la temperatura.
• Leyes empíricas:
  -Ley del desplazamiento de Wien
  -Ley de Stefan-Boltzmann
• Leyes teóricas:
  -Ley de Rayleigh-Jean.                                                                                                                                                   

Espectro del cuerpo negro
¿Cómo es la distribución de la energía que emite un cuerpo negro con la longitud de onda (o frecuencia) y la temperatura?

 

Ley de desplazamiento de Wien

La longitud de onda del máximo y la temperatura están relacionadas de forma que:

      A esta relación se la conoce como ley del desplazamiento de Wien. Donde const = 2897.8 µm K, y T es la temperatura en Kelvin.

 

Las consecuencias de la ley de Wien es que cuanta mayor sea la temperatura de un cuerpo negro menor es la longitud de onda en la cual emite.

El cuerpo negro.

Para entender lo que es un agujero negro empecemos por una estrella como el Sol. El Sol tiene un diámetro de 1.390.000 kilómetros y una masa 330.000 veces superior a la de la Tierra. Teniendo en cuenta esa masa y la distancia de la superficie al centro se demuestra que cualquier objeto colocado sobre la superficie del Sol estaría sometido a una atracción gravitatoria 28 veces superior a la gravedad terrestre en la superficie. Una estrella corriente conserva su tamaño normal gracias al equilibrio entre una altísima temperatura central, y la gigantesca atracción gravitatoria.

Si en un momento dado la temperatura interna desciende, la gravitación se hará dueña de la situación. La estrella comienza a contraerse y a lo largo de ese proceso la estructura atómica del interior se desintegra. En lugar de átomos habrá ahora electrones, protones y neutrones sueltos. La estrella sigue contrayéndose. La estrella es ahora una enana blanca. 

En determinadas condiciones la atracción gravitatoria se hace demasiado fuerte para ser contrarrestada por la repulsión electrónica. La estrella se contrae de nuevo, obligando a los electrones y protones a combinarse para formar neutrones. La estructura neutrónica contrarresta entonces cualquier contracción y lo que tenemos es una estrella de neutrones, que podría albergar toda la masa de nuestro sol. La gravedad superficial sería 210.000.000.000 veces superior a la que tenemos en la Tierra.
En ese caso ya no hay nada que pueda oponerse al colapso. La estrella puede contraerse hasta un volumen cero y la gravedad superficial aumentar hacia el infinito.

Según la teoría de la relatividad, explicada anteriormente, la luz emitida por una estrella pierde algo de su energía al avanzar contra el campo gravitatorio de la estrella. Cuanto más intenso es el campo, tanto mayor es la pérdida de energía. A lo largo del proceso de colapso de la estrella de neutrones llega un momento en que la luz que emana de la superficie pierde toda su energía y no puede escapar.

Un objeto sometido a una compresión mayor que la de las estrellas de neutrones tendría un campo gravitatorio tan intenso, que cualquier cosa que se aproximara a él quedaría atrapada y no podría volver a salir. Es como si el objeto atrapado hubiera caído en un agujero infinitamente hondo y no cesase nunca de caer. Y como ni siquiera la luz puede escapar, el objeto comprimido será negro. Literalmente, un agujero negro.