1. El efecto fotoeléctrico
A finales del siglo XIX se sabía experimentalmente que cuando un haz de luz
(en la región visible o ultravioleta del espectro) incidía sobre una superficie
metálica, dicha superficie emitía electrones en un proceso conocido
comoefecto fotoeléctrico. A los electrones emitidos se les llama
fotoelectrones. Hertz fue el primer científico en observar este fenómeno en
1887.
El fenómeno en sí no sorprendía a los científicos, puesto que si la luz es
radiación electromagnética, es natural que el campo electromagnético
generado por la onda luminosa ejerza una fuerza sobre los electrones del
metal provocando el desprendimiento de alguno de ellos. Lo realmente
misterioso de este fenómeno fue descubrir que la Energía Cinética (K) del
electrón emitido era independiente de la intensidad de la luz, pero dependía
de la frecuencia, aumentando linealmente con ella. Con la física clásica
conocida entonces, no podía explicarse este fenómeno.

2. Otro hecho que la física clásica tampoco podía explicar era que si la luz
incidente caía por debajo de una frecuencia de corte o frecuencia umbral, fc,
que es característica de cada material utilizado, no hay emisión de
electrones. Además aún cuando trabajásemos con bajas intensidades de la
luz, siempre que esta sea superior a fc, la emisión de electrones es casi
instantánea (en menos de 10-9
s). Desde el punto de vista clásico, se
esperaría que los electrones necesitaran algún tiempo para absorber la
radiación incidente antes de que alcancen la K necesaria que les permita
escapar de la superficie del metal.
No fue hasta 1905, cuando Albert Einstein, utilizando la idea de Planck de la
cuantización de la energía, explicó satisfactoriamente el efecto fotoeléctrico.
Por este trabajo Einstein recibió el premio Nobel en 1921.
Mientras que Planck utilizó la cuantización de la energía como un truco de
cálculo para explicar la radiación del cuerpo negro, Einstein fue más allá e
hizo la sugerencia de que la cuantización de la energía es una propiedad
fundamental de la energía electromagnética, marcando así los principios de
la teoría cuántica.
Einstein supuso que la luz, o cualquier onda electromagnética de frecuencia
f, se puede considerar como una corriente de fotones, cada uno de ellos con
una energía E. Contradiciendo la física clásica que dice que la energía de la
luz está distribuida de modo uniforme sobre el frente de onda, Einstein
postula que la energía lumínica se encuentra concentrada en regiones
discretas o en paquetes llamados cuantos de luz.
De acuerdo con esta explicación, la energía de un haz de luz monocromática
llega en porciones de magnitud hf, donde f es la frecuencia de la luz, y h, la
constante de Planck.
Este cuanto de energía se transmite a un sólo electrón en el metal, es decir,
el electrón adquiere una energía:E = hf
Pero para extraer el electrón del metal hay que realizar un cierto trabajo, W,
conocido como trabajo de extracción o función de trabajo del metal, que es
una constante característica de cada material y totalmente independiente de
la frecuencia f de la luz. Representa la energía mínima con la cual el electrón
está ligado al metal y es del orden de algunos electronvoltios.

3. Luego, si la luz incide con una energía E=hf sobre el metal, y este posee un
trabajo de extracción W, la Energía cinética máxima, Kmax, del electrón
liberado es:Kmax = hf - W
siendo esta la ecuación de Einstein del efecto fotoeléctrico. Así, de esta
forma, se explican las cuestiones que antes no se podían abordar con la
física clásica.
La energía de la luz no depende de su intensidad, sino de su frecuencia, por
ello, para que el efecto fotoeléctrico sea visible, la energía del fotón debe ser
superior a W. Además, Kmax, también es independiente de la intensidad de la
luz.
Si la intensidad se duplica, se dobla el número de fotones, pero estos
conservan la misma energía porque K sólo depende de f, es decir, para
aumentar Kmax, como W es constante para un determinado metal, habría que
aumentar la frecuencia tal y como se ve en la ecuación de Einstein.
Por último, el hecho de que los electrones se emitan casi instantáneamente
se debe a la interacción uno a uno, es decir, a la interacción fotón-electrón.
Una confirmación final de la teoría del efecto fotoeléctrico de Einstein es la
comprobación de la relación lineal entre f y Kmax. La pendiente de la curva da
el valor h y la intercepción con el eje horizontal da la frecuencia de corte que
está relacionada con la función de trabajo.
E = hf - W
fcorte, implica que; E=0
hf = W entonces; fc = W / h
La ecuación de Einstein era una predicción teórica precisa, que ofrecía la
oportunidad también para una medición más exacta de la constante de
Planck.