¿Por qué la teoría ondulatoria no puede explicar el efecto fotoeléctrico y proporciona evidencia de la naturaleza de partículas de la luz?

Soy capaz de entender cómo se puede modelar la luz para que tenga características de onda del experimento de doble rendija de Young.

Pero no puedo comprender cómo podemos entender que la luz tiene características de partículas del experimento fotoeléctrico. ¿Cómo es que el carácter ondulatorio no es capaz de explicar los fenómenos observados en este experimento? ¿Y cómo es que la naturaleza de las partículas vence a la teoría ondulatoria?

Respuestas (3)

Ha habido intentos de describir el efecto fotoeléctrico tomando el campo EM como una onda clásica. Para una discusión, consulte una pregunta anterior "¿ Se puede explicar el efecto fotoeléctrico sin fotones? ". Una de las respuestas describe que el efecto fotoeléctrico puede explicarse bien considerando el campo EM más o menos como una onda clásica. Para explicar otros datos experimentales, se necesita una versión cuantificada de las ondas EM.

En la segunda parte de su pregunta "¿Y cómo es que la naturaleza de las partículas derrota a la teoría de las ondas?" Lo anterior no significa que estos "cuantos de onda" (o fotones) sean partículas en el sentido de ser objetos localizados que vuelan en el espacio hasta que "chocan" con un átomo expulsando un electrón. Un fotón como cuanto de las ondas no está localizado ni rastreable como lo que uno pensaría de una partícula. Algunos físicos se refieren a estos fotones como partículas que podrían generar confusión (por ejemplo, a través de qué rendija volaron en estos experimentos de doble rendija), pero la conclusión es que incluso si llamas a estos fotones partículas cuánticas, ciertamente no derrotan la versión cuántica de la teoría ondulatoria.

¿Por qué no miras este video un tutorial de niveles avanzados para el efecto fotoeléctrico?

Resumen de las observaciones del desconcertante efecto fotoeléctrico:

  1. Los electrones se emitieron inmediatamente, ¡sin demoras!

  2. ¡Al aumentar la intensidad de la luz aumentó el número de fotoelectrones, pero no su energía cinética máxima!

  3. ¡La luz roja no provocará la eyección de electrones, sin importar la intensidad!

  4. ¡Una luz violeta débil expulsará solo unos pocos electrones, pero sus energías cinéticas máximas son mayores que las de una luz intensa de longitudes de onda más largas!

El punto básico es que el efecto desaparece en una frecuencia umbral y no depende de la intensidad de la luz que incide sobre el metal .

fotoeléctrico

Un formalismo de onda no puede explicar todo esto, porque la energía en las ondas es aditiva, cuanto más intenso es el haz, más energía entrega, pero los experimentos fotoeléctricos muestran que esto no es cierto para "onda de luz" + "electrones en metal". dispersión.

No importa qué tan fuerte sea el haz de luz entrante, si está por debajo de un umbral de frecuencia (dependiendo del metal), los electrones no se moverán. Muestra una correlación de uno a uno que solo un modelo de partículas puede explicar.

@JanBos lo acabas de decir, en gases. Todavía quedan los metales. Además, comprender QFT está fuera del alcance de los aficionados a la física.
@JanBos Como experimentador, preferiría hablar de partículas medidas, es decir, aproximaciones a conceptos clásicos. Para mí, QFT es otro buen modelo matemático de la naturaleza, no de la naturaleza. Usarlo como un éter en el que el concepto de "partícula" se desplaza como una onda se elimina dos veces de los datos en lo que a mí respecta.
No hay nada parecido a una partícula en el fotón y usarlo de esta manera no ayuda a ninguna comprensión. En realidad crea más confusión en mi opinión. Por eso mencioné el ejemplo del efecto fotoeléctrico en gases en el que el concepto de partícula es de una manera muy clara inapropiado para describir los datos en comparación con el efecto fotoeléctrico en el metal.
@JanBos Mire este fotón único a la vez con doble rendija y dígame que no hay nada como una partícula sps.ch/en/articles/progresses/… . los puntos son huellas de partículas clásicas después de todo
Estos puntos son consecuencia de la interacción del campo EM con la materia utilizada en los detectores. Ver la regla de oro de Fermi. No hay necesidad de partículas para describirlos.
@JanBos seguro, si eres bueno en matemáticas. Pero lo mismo ocurre con los agujeros de bala, y los agujeros de chorro de arena, son huellas que pasó una "partícula", interactuando electromagnéticamente con la materia, eso es lo que entendemos por "partícula" en la vida cotidiana.
@Annav, esta respuesta no llega al "por qué" del asunto, porque en principio podría haber un umbral de longitud de onda clásico, debido a las escalas de tamaño involucradas. Es decir, si las longitudes de onda se vuelven demasiado grandes en comparación con la escala atómica, entonces la polarizabilidad se vuelve importante, los campos EM se reducen efectivamente, la longitud de onda larga solo "ve" el átomo neutro como un todo, etc.
@ user1247 Lo que describa necesitará números para las dimensiones de la red metálica, etc., y también las discontinuidades son difíciles de modelar con ondas clásicas. Tienes un enlace ?
@Annav, diste una respuesta conceptual ("Un formalismo de onda no puede explicar esto porque la energía en las ondas es aditiva, cuanto más intenso es el haz, más energía entrega"), y simplemente estaba señalando que esta respuesta conceptual es defectuoso, porque es fácil encontrar razones conceptuales plausibles por las que el formalismo de ondas podría acomodar fácilmente tal comportamiento. El punto es que una respuesta que realmente explique "por qué esto es evidencia para los fotones" debería abordar por qué el formalismo clásico no funciona, a pesar de las razones perfectamente plausibles por las que podría hacerlo.
@Anna El video es muy elemental y no satisface mis necesidades. Pero me gusta la respuesta que diste. Y aún me vendría bien alguna explicación más del fracaso de la teoría ondulatoria que no sea la frecuencia.
@Anna Borré accidentalmente algunos de mis comentarios en mi teléfono inteligente, pero la teoría de ondas del campo EM aún puede explicar el efecto fotoeléctrico como señalé en mi versión de una respuesta. Que este efecto conduzca a partículas es una especie de mito urbano. Pero lo que es peor, genera confusión cuando se habla de otros experimentos con ondas EM como la doble rendija que utiliza algo así como el efecto fotoeléctrico para sus detectores.

Tómelo por el otro lado, ya que la emisión y la absorción de fotones de radiación EM son una buena descripción. El fenómeno fotoeléctrico es un buen ejemplo del punto de que la radiación EM está hecha de fotones.

La descripción de la radiación EM como una onda tiene algunas debilidades. Para una fuente térmica de radiación EM no se podrá medir ni la amplitud ni la longitud de onda directamente. Para una fuente monocromática (con apertura pequeña) se pueden medir detrás de una doble rendija las distancias entre las franjas de la distribución de intensidad que se explica por la interferencia de las ondas circulares salientes de las dos rendijas (principio de Huygens). Pero dado que el fenómeno de las franjas aparece detrás de cada borde afilado e incluso para una corriente de fotones individuales emitidos, la explicación con el principio de Huygens no es válida para este caso. Además, la evidencia de la naturaleza de las ondas se hace a partir de un patrón cuya distribución de intensidad tiene la ecuación de una onda (una ecuación de seno).

Pero realmente hay radiación EM cuya frecuencia se puede medir directamente. Las ondas de radio se producen acelerando electrones en una barra de antena por un generador de ondas hacia adelante y hacia atrás. Esto induce la emisión de fotones. Tal radiación EM tiene claramente las propiedades de transferencia de energía con características de onda.

La descripción de la radiación EM monocromática con una longitud de onda/frecuencia asociada es útil pero no necesaria. La descripción por la energía de los fotones involucrados es suficiente.

Para obtener más información sobre fotones, radiación EM y ondas de radio, consulte esta respuesta .

¿Por qué la teoría ondulatoria no puede explicar el efecto fotoeléctrico y proporciona evidencia de la naturaleza de partículas de la luz?
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