Se le llama efecto fotoeléctrico al proceso de emisión de electrones en la superficie de un metal alcalino cuando inciden sobre él las radiaciones de la luz (visibles y ultravioletas).

Las características de la emisión fotoeléctrica referida a un metal son:

La emisión de electrones es instantánea al incidir la luz sobre el metal.

El aumentar la intensidad luminosa se incrementa el número de electrones emitidos, pero no la velocidad de salida.

La velocidad de los electrones emitidos solo depende de la frecuencia de la radiación incidente.

Para cada metal existe una cierta frecuencia umbral, por debajo de la cual no se produce emisión fotoeléctrica.

Interpretación del efecto fotoeléctrico: El efecto fotoeléctrico es un fenómeno general, pero las experiencias citadas del zinc y del metal alcalino indican que la emisión de los electrones depende de la frecuencia de la luz usada. Cuando se someten los metales a la acción sucesiva de las radiaciones luminosas, desde la radiación ultravioleta hasta las infrarrojas, se comprueba que en un metal determinado, el efecto fotoeléctrico se produce cuando la frecuencia de la radiación es superior a un valor límite que se llama umbral fotoeléctrico. Se ha podido comprobar que las partículas emitidas por los metales tienen la carga y la masa de los electrones (e−) y son iguales cualquiera que sea el metal empleado en la experiencia.

Hipótesis de Einstein. Los fotones. Cuantificación de la energía: El efecto fotoeléctrico, descubierto por Hertz en 1887, demuestra que la energía luminosa transportada por las radiaciones que inciden en el metal se transforma en energía mecánica. Parte de esa energía mecánica se emplea en arrancar los electrones de la superficie del metal y parte se transforma en energía cinética de los electrones que salen expulsados con una velocidad (v). La teoría ondulatoria de la luz no explica suficientemente el efecto fotoeléctrico ya que según esta teoría, la energía luminosa transportada por una radiación. Sin embargo, hemos dicho antes, que el umbral fotoeléctrico depende de la frecuencia de la radiación usada, y la mayor o menor iluminación del metal influye en el número de electrones impulsados, pero no en la velocidad que adquieren. De aquí que se buscara una explicación del fenómeno fotoeléctrico partiendo de la teoría de los ‘quantos’ por el físico Alemán Marx Planck (1858 − 1947) en el año 1900. Según esta teoría la energía transportada por una radiación de frecuencia (f) es siempre un múltiplo entero del producto (h x f).

Donde (h) representa una constante universal que vale en el S.I.: h = 6,62 x 10 −34 Joules

El producto (h x f) constituye el ‘quanto’ de energía, es decir, la menor cantidad de energía que se puede obtener en una radiación de frecuencia (f): es como un átomo o grado de energía. Esto llevo a Einstein a replantear nuevamente la teoría corpuscular de la luz debido a Newton, diciendo que la luz consta de pequeños quantos o trozos de energía, a los que llamó fotones. Cada fotón de una radiación (luminosa) de frecuencia (f) transporta una energía.

E = h x f Siendo:

E: Energía del fotón h: Constante universal, llamada constante de Planck

(Su valor es 6,63 x 10 −34 Joules) f: Frecuencia de la radiación.

Observamos que según ésta ecuación:

• La energía radiante, tal como la luz, se propaga en paquetes de energía, cuyos tamaños son proporcionales a la frecuencia de la radiación.

• La energía ha de ser absorbida o emitida por quantos completos, no siendo admisibles fracciones del quanto.

En definitiva la energía, igual que la materia, presenta una estructura discontinua. A partir de la teoría de Planck, no todas las energías están permitidas, sino sólo aquellas que sean múltiplos de (h). La hipótesis de Planck ha sido confirmada y es una de la más fructíferas de toda la Física; la cual fue presentada en una Congreso de Berlín. Esta hipótesis, se basó en las radiaciones emitidas por cualquier fotón luminoso, indicando que no son un flujo continuo de ondas luminosas, sino una corriente de fotones individuales. El Fotón lo podemos definir así:

Un fotón es la unidad de radiación electromagnética con una longitud de onda y una frecuencia determinada, que posee una cierta cantidad de energía llamada quanto de energía.

Ecuación de Einstein del efecto fotoeléctrico: El efecto fotoeléctrico explica fácilmente a partir de la hipótesis fotónica de la luz. Al llegar a la superficie del metal, un fotón de frecuencia (f) correspondiente a la radiación lumínica, choca con un átomo y le arrancará un electrón si la energía del fotón ( E = h x f ) es mayor que el trabajo o energía de extracción del electrón (Eo). La deferencia E − Eo entre la energía del fotón y la energía de extracción se convierte en energía cinética del metal expulsando con una velocidad (v). Por tanto:

E − Eo = 1⁄2 m v2, Es decir:

E = Eo + 1⁄2 m v2 La energía del fotón (E) se emplea en arrancar el electrón del metal y comunicarle una energía cinética. La energía correspondiente al valor del umbral fotoeléctrico (fo) será:

h x fo = Eo

El efecto fotoeléctrico se produce cuando la energía de la radiación es igual o mayor que el umbral Fotoeléctrico. Aplicaciones de la célula fotoeléctrica: Las células fotoeléctricas se pueden fabricar sensibles a la luz visible y a la luz invisible con los rayos Infrarrojos. Esto permite un uso muy variado en la industria, en los laboratorios y en la vida diaria. Entre esas múltiples aplicaciones tenemos:

Para accionar un electroimán:

La luz proviene de una lámpara B, incide sobre una célula C y se produce una corriente I. Esta al ser amplificadas, actúa sobre un electroimán E el cual atrae el interruptor S y manteniendo abierto el circuito eléctrico X.

El funcionamiento de éste electroimán se da así: Cuando una persona pasa entre la lámpara B y la célula C se interrumpe el flujo luminoso, lo que a su vez interrumpe la corriente I y el interruptor S que no es atraído por el electroimán cierra el circuito eléctrico X. Esto hace funcionar un motor M que a su vez abre o cierra una puerta, hace funcionar una escalera eléctrica, sirve también para contar personas en una exposición u objetos fabricados en serie, o pone en funcionamiento una alarma.

• Reproducción del sonido:

Si observamos la figura anterior, en donde se muestra una pequeña lámpara B, la cual ilumina a través del lente L, la banda sonora de una película. El flujo que absorbe la banda sonora incide sobre una célula fotoeléctrica que es capaz de convertir las variaciones de la intensidad luminosa en intensidad de corriente. Estas a su vez al ser amplificadas son capaces de accionar un altavoz.

Optimización de sistemas de energía fotovoltaica (Celdas Solares):

Las ramas de los arboles parecen tener un patrón en espiral que llega hasta la punta. La investigación comenzó con la pregunta de si existe una fórmula secreta en el diseño

del árbol y si el propósito de la espiral es recoger la luz del sol mejor. Después de hacer la investigación, se juntaron las herramientas para la prueba, los experimentos y los modelos de diseño, todo para investigar cómo los árboles captan la

luz solar. Al final del proyecto de investigación, se pusieron las piezas de este

rompecabezas natural, en conjunto, y se descubrio la respuesta. Pero la mejor parte fue cuando se descubrio una nueva manera de aumentar la eficiencia de los paneles solares a recoger la luz del sol.

La investigación comenzó con el intento de comprender la forma de espiral. Se

encontro la respuesta con un matemático medieval y un naturalista del siglo 18. En

1209 en Pisa, Leonardo de Pisano, también conocido como "Fibonacci", utilizó sus habilidades para responder a un acertijo matemático sobre la rapidez con conejos

podría reproducir en parejas durante un período de tiempo. Así, contando a sus

conejos recién nacidos, a Fibonacci se le ocurrió una secuencia numérica. Fibonacci

utiliza patrones en la antigua poesía sánscrita de la India para hacer una secuencia de

números que empiezan con cero (0) y uno (1). Fibonacci añadido los dos últimos

números de la serie juntos, y sumandolos, se convirtieron en el número siguiente de la

secuencia.

El número de secuencia comenzó a parecerse a esto: 1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, 34 ... . El patrón de números tenían la fórmula Fn = Fn-1 + Fn-2 y se convirtió en la secuencia

de Fibonacci. Sin embargo, parecía tener poderes místicos. Cuando los números de la

secuencia fueron puestos en proporciones, el valor de la relación era la misma que otro

número, φ, o "phi", que tiene un valor de 1,618. El número "phi" es el apodo de

"número divino" (Posamentier). Los científicos y naturalistas han descubierto que la

secuencia de Fibonacci aparece en muchas formas en la naturaleza, tales como la forma de algunas conchas, las semillas de girasol, los patrones de vuelo de halcones y

las galaxias que vuelan por el espacio. En 1754, un naturalista llamado Charles Bonnet observaba que las plantas brotan

ramas y hojas en un patrón, llamado filotaxis. Bonnet vio que las ramas y las hojas

tenían un patrón en espiral matemática que puede ser mostrado como una fracción. Lo

asombroso es que las fracciones matemáticas eran los mismos números que la

secuencia de Fibonacci. En el árbol de roble, la fracción de Fibonacci es 2/5, lo que

significa que la espiral tiene cinco series en espiral, dos veces alrededor del tronco para

completar un patrón. Otros árboles con la disposición de las hojas de Fibonacci son el

olmo (1/2), el haya (03.01), el sauce (08.03) y el almendro (5/13) (Livio, Adler). Ahora se tenía la primera pieza del rompecabezas, pero no se respondió a la pregunta,

¿Por qué los árboles tienen este patrón? Se diseñaron experimentos que atacaron

directamente a esta pregunta, pero primero se tuvieron que hacer pruebas de campo para entender la forma de espiral. Se construyo una herramienta de prueba para medir el patrón de espiral de diferentes

especies de árboles. Se requirio un tubo de plástico transparente y unido a dos

transportadores circulares que podian ser girados hacia arriba y abajo del tubo. Antes de colocar las ramas en el tubo de prueba habia que calcular los angulos de separacion entre cada una de ellas, para ello se utilizo una brujula y se fue midiendo rama por rama, y anotando los resultados. Los resultados confirmaron que la secuencia de Fibonacci estaba detrás del patrón.

Pero la cuestión es ¿por qué se

mantuvo?. Se sabe que las

ramas y hojas recogen la luz del sol para la fotosíntesis, así que en los próximos experimentos se investigó si el patrón de Fibonacci

habia ayudado.

Se necesitaba una manera de medir y comparar la cantidad de luz recogida por el

patrón. Se genero la idea de que se podía copiar el patrón de ramas y hojas con

paneles solares y compararlo con otro patrón. Se diseño y construyo un modelo de prueba, que

copia el patrón de Fibonacci de un roble. El

patrón era de unos 137 grados y la secuencia

Fibonacci de 2/5. Entonces se construyó un

modelo de uso de este patrón de tubo de

PVC. En lugar de hojas, se utilizaron paneles

solares fotovoltaicos conectados en serie que producen hasta 1/2 volts, de modo que el pico de

salida del modelo fue de 5 volts. Todo se diseño copiado el patrón de un árbol de roble en la mayor medida posible. Que necesitaba para comparar el desempeño del

modelo con diseño del árbol?. Se hizo un

segundo modelo que se basa en cómo el hombre

fabrica los actuales paneles solares. El segundo

modelo era una gran pantalla plana que se

montó en 45 grados. Tenía el mismo tipo y

número de celdas solares fotovoltaicas como el

diseño del árbol. La idea era realizar un seguimiento de la cantidad de luz solar recolectada por cada modelo en las mismas condiciones. Se midio el rendimiento de cada modelo con un registrador de datos. Este registró la

tensión que cada modelo logro durante un período de tiempo. El registrador de datos

de las mediciones se descargaron a un ordenador, y aqui se puden ver los resultados en gráficos.

El diseño del árbol de Fibonacci se desempeño mejor que el modelo de panel plano. El

diseño del árbol recolecto un 20% más de electricidad sin mencionar que recogió 2 1/2

horas más de luz solar durante el día. Pero los resultados más interesantes fueron en diciembre, cuando el Sol estaba en su

punto más bajo en el cielo. El diseño del árbol logro un 50% más de electricidad, y el

tiempo de recoleccion de la luz solar era hasta un 50% más.