Física cuántica y efecto fotoeléctrico para la EVAU
La física cuántica explica cómo se comporta la materia y la energía a escala subatómica, y el efecto fotoeléctrico es uno de sus fenómenos más importantes — y más repetidos en la EVAU. Si no lo tienes claro, este es el artículo que necesitas antes del examen.
Lo que pasa es que este bloque de física moderna asusta porque parece muy abstracto. Pero una vez que entiendes la lógica, los problemas son mecánicos y puedes sacar puntos seguros.
Lo esencial
- La energía no es continua: viene en paquetes llamados cuantos (E = h·f)
- El efecto fotoeléctrico prueba que la luz se comporta como partícula (fotón)
- La física clásica no puede explicar este fenómeno — ahí está la clave del tema
- De Broglie propone que la materia también tiene comportamiento ondulatorio
Por qué la física clásica se rompe: el problema de la radiación
Antes de Einstein y Planck, los físicos asumían que la energía era continua. Podías tener cualquier cantidad, como si fuera agua en un vaso.
El problema llegó cuando intentaban explicar cómo emite luz un cuerpo caliente (lo que se llama radiación del cuerpo negro). Las predicciones clásicas fallaban estrepitosamente para frecuencias altas. A esto se le llamó la "catástrofe ultravioleta" — un nombre dramático para un fracaso científico real.
Y aquí viene lo que nadie te cuenta en clase: ese fracaso fue el punto de partida de toda la física moderna.
La hipótesis de Planck: la energía se cuantiza (E = h·f)
En 1900, Max Planck propuso algo revolucionario: la energía no puede tomar cualquier valor. Solo puede emitirse o absorberse en paquetes discretos, los cuantos de energía.
La fórmula es:
E = h · f
Donde:
- E es la energía del cuanto (en julios, J)
- h es la constante de Planck: h = 6,626 × 10⁻³⁴ J·s
- f es la frecuencia de la radiación (en hercios, Hz)
También puedes verla escrita como E = h · c / λ, donde λ es la longitud de onda y c la velocidad de la luz (3 × 10⁸ m/s).
Ojo: La constante de Planck te la darán en el examen, no hace falta memorizarla. Lo que sí tienes que saber de memoria es la fórmula y saber aplicarla.
El efecto fotoeléctrico explicado sin rollos
El efecto fotoeléctrico es lo siguiente: cuando iluminas una superficie metálica con luz de suficiente frecuencia, esta emite electrones. Esos electrones que salen se llaman fotoelectrones.
Parece sencillo, pero hay algo raro:
- Si usas luz de baja frecuencia, no salen electrones — aunque la luz sea muy intensa.
- Si subes la frecuencia por encima de un umbral, empiezan a salir electrones — incluso con poca intensidad.
- La intensidad de la luz solo afecta al número de electrones, no a su energía cinética.
Esto es imposible de explicar si la luz es solo una onda. Una onda más intensa debería tener más energía y arrancar electrones igualmente. Pero no es así.
Einstein y el fotón (1905)
Albert Einstein explicó esto en 1905 — el mismo año que publicó la relatividad especial, por si no tenías suficiente con admirarle. Su idea: la luz está formada por partículas llamadas fotones, y cada fotón tiene una energía E = h·f.
Para que un electrón salga del metal, el fotón tiene que tener como mínimo la energía necesaria para arrancarlo. Esa energía mínima se llama trabajo de extracción (o función de trabajo), simbolizada como W o φ.
La ecuación del efecto fotoeléctrico es:
E_k = h·f - W
Donde:
- E_k es la energía cinética del fotoelectrón que sale
- h·f es la energía del fotón incidente
- W es el trabajo de extracción del metal
Si h·f < W, no sale ningún electrón. Punto. Da igual cuánta luz pongas.
Comparativa: física clásica vs física cuántica en el efecto fotoeléctrico
| Fenómeno | Predicción clásica | Predicción cuántica | ¿Qué ocurre realmente? |
|---|---|---|---|
| Más intensidad de luz | Más energía → más E_k | Más fotones → más electrones | Más electrones, misma E_k ✓ |
| Baja frecuencia | Con suficiente intensidad, sale e⁻ | Sin fotón suficiente, no sale nada | No sale ningún electrón ✓ |
| Alta frecuencia | Similar a baja | E_k mayor del electrón | Mayor E_k ✓ |
| Tiempo de respuesta | Necesita tiempo para acumular energía | Instantáneo | Instantáneo ✓ |
La física cuántica acierta en todo. La clásica, en nada.
Dualidad onda-corpúsculo: la luz (y la materia) son las dos cosas
A ver, esto es lo que más confunde. La luz se comporta como onda en fenómenos como la difracción o la interferencia. Pero en el efecto fotoeléctrico se comporta como partícula. ¿Entonces qué es?
Las dos cosas. Según el contexto, la luz exhibe propiedades de onda o de partícula. Esto es la dualidad onda-corpúsculo.
De Broglie y la longitud de onda de la materia
En 1924, Louis de Broglie fue más lejos: si la luz puede comportarse como partícula, ¿por qué no puede la materia comportarse como onda?
Propuso que cualquier partícula con cantidad de movimiento p tiene asociada una longitud de onda:
λ = h / p = h / (m·v)
Donde:
- λ es la longitud de onda de De Broglie
- h es la constante de Planck
- p = m·v es la cantidad de movimiento
Para objetos cotidianos, esta longitud de onda es ridículamente pequeña (imperceptible). Para electrones, es lo suficientemente grande como para producir efectos observables. Y esto se confirmó experimentalmente — los electrones producen patrones de difracción, como las ondas.
Consejo de Destilify: En el examen, De Broglie suele aparecer como un cálculo directo de λ. Apréndetela, es fácil de aplicar y no tiene trampa si tienes la velocidad o el momento.
Problema tipo EVAU: cálculo de energía cinética del fotoelectrón
Este es el tipo de ejercicio que más se repite en la prueba de acceso. Vamos con uno:
Enunciado: Una superficie de sodio tiene un trabajo de extracción de W = 3,65 × 10⁻¹⁹ J. Se ilumina con luz de longitud de onda λ = 300 nm. Calcula:
a) La energía del fotón incidente. b) La energía cinética del fotoelectrón emitido.
Datos: h = 6,626 × 10⁻³⁴ J·s; c = 3 × 10⁸ m/s; λ = 300 nm = 300 × 10⁻⁹ m
Resolución:
a) Energía del fotón:
E = h·c / λ = (6,626 × 10⁻³⁴ × 3 × 10⁸) / (300 × 10⁻⁹)
E = (1,988 × 10⁻²⁵) / (3 × 10⁻⁷)
E ≈ 6,63 × 10⁻¹⁹ J
b) Energía cinética del fotoelectrón:
E_k = E - W = 6,63 × 10⁻¹⁹ - 3,65 × 10⁻¹⁹
E_k ≈ 2,98 × 10⁻¹⁹ J
Como E_k > 0, el fotón tiene suficiente energía para arrancar el electrón.
Lo que hacemos nosotros en Destilify es que practiques exactamente este tipo de problema con variaciones de datos hasta que lo hagas en automático. Porque en el examen el tiempo aprieta.
Las fórmulas que no pueden faltarte en el examen de física
| Fórmula | Significado | Variables |
|---|---|---|
| E = h·f | Energía de un fotón | h = constante de Planck, f = frecuencia |
| E = h·c / λ | Energía del fotón según λ | c = 3×10⁸ m/s, λ = longitud de onda |
| E_k = h·f - W | Efecto fotoeléctrico | W = trabajo de extracción |
| λ = h / (m·v) | Longitud de onda de De Broglie | m = masa, v = velocidad |
Tenlas en una hoja aparte hasta que las domines sin mirar.
Preguntas frecuentes sobre física cuántica en la EVAU
¿El efecto fotoeléctrico cae siempre en la EVAU de física?
Es uno de los temas más habituales en la parte de física moderna, aunque la frecuencia exacta varía según tu comunidad autónoma y la convocatoria. Consulta los exámenes de años anteriores de tu comunidad para ver con qué frecuencia aparece — en Destilify tienes ejercicios organizados por temas para repasarlo bien.
¿Qué diferencia hay entre frecuencia umbral y trabajo de extracción en el efecto fotoeléctrico?
Son dos formas de expresar lo mismo: la energía mínima que necesita un fotón para arrancar un electrón del metal. El trabajo de extracción W se da en julios, mientras que la frecuencia umbral f₀ cumple que W = h·f₀. Si te dan una, puedes calcular la otra.
¿Necesito saber derivar las fórmulas cuánticas para la EVAU de física?
No. En la EVAU de física moderna no te piden demostraciones matemáticas complejas. Lo que necesitas es saber identificar qué fórmula aplicar, manejar bien las unidades (cuidado con los nanómetros y los electronvoltios) y resolver el problema paso a paso mostrando el proceso.
¿Qué es la longitud de onda de De Broglie y para qué sirve en el examen?
Es la longitud de onda que se asocia a cualquier partícula con masa y velocidad, según λ = h/(m·v). En la EVAU suele aparecer como un cálculo directo: te dan la masa y la velocidad de un electrón y te piden λ. Es un problema sencillo si tienes la fórmula clara — no le des más vueltas de las necesarias.