F3M6

Formación para la Investigación 
Escuela de Física, Facultad de Ciencias 
Universidad Industrial de Santander 
Construimos Futuro 
 
ESTUDIO DEL EFECTO FOTOELÉCTRICO A TRAVÉS DE UNA 
SIMULACIÓN 
 
 
RESUMEN 
 
El descubrimiento del efecto fotoeléctrico revolucionó la física clásica y ayudó a abrir 
paso a una nueva rama que explicaría el entendimiento de la dualidad onda-partícula de la 
luz. El fenómeno consiste en la emisión de electrones por un material al incidir sobre él 
una radiación electromagnética. El efecto fotoeléctrico es la base de la producción 
de energía solar fotovoltaica. Se utiliza también para la fabricación de células utilizadas en 
los detectores de llama de las calderas de las grandes centrales termoeléctricas, así como 
para los sensores utilizados en las cámaras digitales, en los microscopios, alcoholímetros, 
sistemas de audio y hasta en el alumbrado público. 
En este proyecto de investigación se espera que el estudiante conozca los principios del 
efecto fotoeléctrico y puedan reproducir el fenómeno en distintos metales a través de una 
simulación para entender de qué manera influyen factores como la intensidad luminosa, la 
longitud de onda y la corriente eléctrica. 
 
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 
 
 La construcción de la teoría sobre la cuantización de la energía de la radiación inicia con 
los estudios del fenómeno del efecto fotoeléctrico. Este fue descubierto por el físico alemán 
Heinrich Hertz en el año 1887, en sus experimentos para estudiar la propagación de las 
ondas electromagnéticas en el espacio, para los cuales utilizó dos esferas metálicas 
cargadas eléctricamente situándolas a una distancia considerable y observando su 
descarga mediante una chispa. Por accidente, sobre una de estas esferas incidió luz 
ultravioleta, permitiéndole a Hertz descubrir que se facilitaba la descarga. Aunque a este 
hecho no le dio gran importancia lo denominó el fotoefecto, sin saber que posteriormente 
 
 
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resultaría ser un descubrimiento muy importante para el desarrollo de la física moderna 
(Saavedra & Bonilla, 2016). 
 En esta aplicación virtual se estudiará el efecto fotoeléctrico analizando cómo se 
comporta un metal cuando es iluminado con una radiación que abarca desde el infrarrojo 
hasta el ultravioleta. Para que el efecto fotoeléctrico tenga lugar, se coloca dentro de un 
tubo de vacío una placa metálica llamado cátodo conectada al polo negativo de la fuente y, 
por otro lado, una placa llamada ánodo al polo positivo de la misma fuente. Cuando se 
ilumina el cátodo, puede aparecer una corriente de electrones entre las dos placas que se 
mide empleando un amperímetro. 
 Para entender el efecto fotoeléctrico se plantean las siguientes preguntas de 
investigación: ¿Es posible arrancar electrones de una placa metálica usando radiación? 
¿En este fenómeno cuál es la relación entre la longitud de onda, la frecuencia umbral, la 
intensidad de radiación, la corriente eléctrica, la energía cinética y el potencial de frenado? 
 
OBJETIVO GENERAL 
 Conocer los principios del efecto fotoeléctrico y reproducir el fenómeno en distintos 
metales a través de una simulación. 
OBJETIVOS ESPECÍFICOS 
● Determinar la longitud de onda umbral sobre la superficie de un metal para que tenga 
lugar el efecto fotoeléctrico 
● Calcular la Energía Cinética con la que son expulsados los fotoelectrones después 
de ser irradiados. 
● Establecer las relaciones existentes entre la corriente, la energía de los electrones, 
la longitud de onda, la frecuencia y el voltaje. 
 
MARCO TEÓRICO 
 
 
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El año 1905 fue denominado por algunos historiadores como el año maravilloso de 
Einstein, quien publicó tres artículos que conmocionaron a la comunidad científica. El 
primero de ellos trataba sobre el efecto fotoeléctrico, donde ideó una solución simple y 
elegante a la paradoja que investía este fenómeno, sugiriendo que podía comprenderse 
fácilmente si la radiación incidente absorbida por una superficie metálica estuviese 
cuantizada (repartida entre los electrones de la superficie en dosis particulares llamadas 
cuantos). Este trabajo tiempo después le haría merecedor del Premio Nobel, a pesar de 
que Einstein es más conocido por sus trabajos sobre la relatividad general y especial. 
(Phillips & Prewer, 2005, 69) 
La teoría de Maxwell del electromagnetismo, publicada en 1865, sugería desde el 
principio que la luz era un tipo de onda electromagnética y muchos científicos intentaron 
detectar tales ondas. En 1886, Heinrich Hertz llegó a cabo el primer experimento exitoso en 
producir y recibir radiación electromagnética usando un dispositivo eléctrico. En el proceso 
se encontró accidentalmente con el efecto fotoeléctrico. Este fenómeno ocurre cuando un 
metal se expone a la luz y éste absorbe parte de la misma. La absorción de la energía 
luminosa por la superficie provoca que algunos de los electrones del metal queden 
excitados y algunos de ellos obtengan la energía suficiente para ser expulsados (Phillips & 
Prewer, 2005, 70). 
Para estudiar los efectos del cambio de la intensidad luminosa sobre los electrones 
emitidos, Lenard realizó una serie de experimentos en los que halló que existía una cantidad 
mínima de luz necesaria para que se produjera la emisión de algún electrón; si la luz era 
demasiado débil, no se desprendía nada. Cuando comenzó a aumentar la intensidad de la 
luz, encontró que, aunque el número de electrones también aumentaba, la energía 
promedio de los mismos no lo hacía (si la intensidad de la luz era el doble, obtenía dos 
veces más electrones emitidos pero el promedio y el máximo de su energía era los mismos 
que antes). Cuando investigó los efectos de los distintos colores de la luz encontró que 
cuando cambiaba el color, afectaba a las energías de los electrones emitidos. Cuando 
utilizó frecuencias más altas (luz de longitud de onda más corta, hacia el extremo violeta o 
ultravioleta del espectro) los electrones emitidos poseían energías mayores (Phillips & 
Prewer, 2005, 74). Este experimento ayudó a probar que la luz se podía comportar como 
 
 
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onda y como partícula. Einstein sugirió que la relación entre la energía de los cuantos y la 
frecuencia de la radiación podía explicar las contradicciones que halló Lenard al estudiar el 
efecto fotoeléctrico. En otras palabras, supuso que la radiación incidente consistía en 
paquetes de energía localizada: 
𝐸 = ℎ𝑓 (1) 
siendo h la constante de Planck (h=6,626 x 10-34 [J*s]) y f a la frecuencia de los fotones que 
viajan en paquetes a través del espacio. Einstein también encontró que la energía de los 
electrones liberados es: 
𝐾𝑚á𝑥 = ℎ𝑓 − Φ =
1
2
𝑚𝑣2 (2) 
en donde ℎ𝑓 es la energía del fotón. La ecuación establece que el fotón transporta una 
energía ℎ𝑓 hacia la superficie. Parte de esta energía (𝜙 función trabajo) es la energía 
mínima que se utiliza para que el electrón pase a través de la superficie del metal. El resto 
de la energía (ℎ𝑓 – 𝜙) se transfiere al electrón en forma de energía cinética a medida que 
escapa del metal. La expresión 
1
2
 𝑚𝑣2 se refiere a la energía cinética máxima. 
 La longitud de onda umbral 𝝀𝟎 ocurre cuando los fotoelectrones escapan muy 
lentamente y al aumentar la longitud de onda 1nm el efecto no se da. Por ejemplo: si a 
635 𝑛𝑚 no salen electrones, pero a 636 𝑛𝑚 sí salen lentamente, la longitud de onda umbral 
será de 636 nm. Se pasa esta medida a metros (1 𝑛𝑚 = 10−9 𝑚). 
𝜆0 = 636 𝑛𝑚 = 6,36 𝑥 10
−7𝑚