Física cuántica: el efecto fotoeléctrico

Este cuestionario de Física de 2º de Bachillerato introduce la física cuántica a través de su experimento fundacional, el efecto fotoeléctrico, contenido habitual del bloque de física moderna en la PAU (Selectividad) junto con los espectros atómicos y la física nuclear.

Se parte de la hipótesis de Planck, E=hf, que establece que la energía electromagnética se intercambia en paquetes discretos (cuantos) proporcionales a la frecuencia, no de forma continua como predecía la física clásica. La ecuación de Einstein del efecto fotoeléctrico, hf=Φ+E_c,máx, se presenta como aplicación directa de esta cuantización: el trabajo de extracción Φ es la energía mínima necesaria para liberar un electrón de la red metálica, y cualquier exceso de energía del fotón se convierte en energía cinética del electrón emitido.

Se resuelve un problema numérico completo de aplicación directa (fotón de 4,0 eV, trabajo de extracción de 2,5 eV → energía cinética máxima de 1,5 eV), y se trabaja el punto conceptual central del experimento, históricamente inexplicable con la teoría ondulatoria clásica: la energía cinética de los electrones emitidos depende únicamente de la frecuencia de la luz, nunca de su intensidad —que solo determina el número de electrones emitidos por segundo, no su energía individual—. Por debajo de la frecuencia umbral no se produce emisión electrónica sin importar cuán intensa sea la luz.

Se introduce la dualidad onda-corpúsculo a través de los experimentos que confirman cada naturaleza: la difracción de electrones confirma su comportamiento ondulatorio, mientras que el efecto fotoeléctrico y el efecto Compton confirman la naturaleza corpuscular de la radiación. La hipótesis de De Broglie, λ=h/p, extiende esta dualidad a toda la materia, trabajándose su relación inversa con el momento lineal: a igual velocidad, el electrón (menos masivo) tiene mayor longitud de onda asociada que el protón.

Un punto especialmente sutil trabajado en el cuestionario es el efecto en cadena de aumentar la frecuencia de la luz incidente por encima del umbral: no solo aumenta la energía cinética máxima de los electrones emitidos, sino que —como consecuencia de ese aumento de energía cinética y, por tanto, de momento— su longitud de onda de De Broglie disminuye, conectando efecto fotoeléctrico y dualidad onda-corpúsculo en una sola pregunta.

Las 12 preguntas combinan problemas numéricos (energía cinética máxima, frecuencia de un fotón, trabajo de extracción) con preguntas conceptuales de verdadero/falso múltiple sobre la distinción frecuencia-intensidad. Las 12 flashcards recogen todas las fórmulas y conceptos del bloque para el repaso final.

• Aplicar la ecuación de Einstein del efecto fotoeléctrico para calcular la energía cinética máxima de los electrones emitidos
• Distinguir el efecto de la frecuencia (energía por fotón) del efecto de la intensidad (número de fotones) en el efecto fotoeléctrico
• Calcular la longitud de onda de De Broglie asociada a una partícula y explicar su relación inversa con el momento lineal
• Identificar qué fenómenos experimentales confirman la naturaleza ondulatoria y cuáles la naturaleza corpuscular de luz y materia
• Relacionar un aumento de frecuencia por encima del umbral con el aumento de energía cinética y la disminución de la longitud de onda de De Broglie de los electrones emitidos

"Un fotón tiene una energía de 4,0 eV. Si el trabajo de extracción de un metal es 2,5 eV, la energía cinética máxima de los electrones emitidos es E_c,máx = hf - Φ = 4,0 - 2,5 = 1,5 eV. La intensidad de la luz incidente determina el número de fotones y, por tanto, el número de electrones emitidos, pero no su energía cinética individual."