Successfully reported this slideshow.
We use your LinkedIn profile and activity data to personalize ads and to show you more relevant ads. You can change your ad preferences anytime.

Efecto fotoelectrico

  • Login to see the comments

Efecto fotoelectrico

  1. 1. UNIVERSIDAD POLITECNICA SALESIANA Física ModernaNombre: Ricardo Zapata Efecto FotoeléctricoLa emisión de electrones por metales iluminados con luz de determinada frecuencia fueobservada a finales del siglo XIX por Hertz y Hallwachs. El proceso por el cual se liberanelectrones de un material por la acción de la radiación se denomina efecto fotoeléctrico oemisión fotoeléctrica. Sus características esenciales son:  Para cada sustancia hay una frecuencia mínima o umbral de la radiación electromagnética por debajo de la cual no se producen fotoelectrones por más intensa que sea la radiación.  La emisión electrónica aumenta cuando se incrementa la intensidad de la radiación que incide sobre la superficie del metal, ya que hay más energía disponible para liberar electrones.En los metales hay electrones que se mueven más o menos libremente a través de la redcristalina, estos electrones no escapan del metal a temperaturas normales porque no tienenenergía suficiente. Calentando el metal es una manera de aumentar su energía. Los electrones"evaporados" se denominan termoelectrones, este es el tipo de emisión que hay en lasválvulas electrónicas. Vamos a ver que también se pueden liberar electrones (fotoelectrones)mediante la absorción por el metal de la energía de radiación electromagnética.El objetivo de la práctica simulada es la determinación de la energía de arranque de loselectrones de un metal, y el valor de la constante de Planck. Para ello, disponemos de unconjunto de lámparas que emiten luz de distintas frecuencias y placas de distintos metales quevan a ser iluminadas por la luz emitida por esas lámparas especiales.DescripciónSea f la energía mínima necesaria para que un electrón escape del metal. Si el electrón absorbeuna energía E, la diferencia E-f, será la energía cinética del electrón emitido.Einstein explicó las características del efecto fotoeléctrico, suponiendo que cada electrónabsorbía un cuanto de radiación o fotón. La energía de un fotón se obtiene multiplicando laconstante h de Planck por la frecuencia f de la radiación electromagnética.E=hfSi la energía del fotón E, es menor que la energía de arranque f, no hay emisión fotoeléctrica.En caso contrario, si hay emisión y el electrón sale del metal con una energía cinética Ek igual aE-f.
  2. 2. Por otra parte, cuando la placa de área S se ilumina con cierta intensidad I, absorbe unaenergía en la unidad de tiempo proporcional a IS, basta dividir dicha energía entre la cantidadhf para obtener el número de fotones que inciden sobre la placa en la unidad de tiempo. Comocada electrón emitido toma la energía de un único fotón, concluimos que el número deelectrones emitidos en la unidad de tiempo es proporcional a la intensidad de la luz queilumina la placaMediante una fuente de potencial variable, tal como se ve en la figura podemos medir laenergía cinética máxima de los electrones emitidos, véase el movimiento de partículascargadas en un campo eléctrico.Aplicando una diferencia de potencial V entre las placas A y C se frena el movimiento de losfotoelectrones emitidos. Para un voltaje V0 determinado, el amperímetro no marca el paso decorriente, lo que significa que ni aún los electrones más rápidos llegan a la placa C. En esemomento, la energía potencial de los electrones se hace igual a la energía cinética.Variando la frecuencia f, (o la longitud de onda de la radiación que ilumina la placa) obtenemosun conjunto de valores del potencial de detención V0. Llevados a un gráfico obtenemos unaserie de puntos (potencial de detención, frecuencia) que se aproximan a una línea recta.La ordenada en el origen mide la energía de arranque en electrón-voltios f/e. Y la pendiente dela recta es h/e. Midiendo el ángulo de dicha pendiente y usando el valor de la carga delelectrón e= 1.6 10-19 C, obtendremos el valor de la constante de Planck, h=6.63 10-34 Js.
  3. 3. EXPLICACIÓN Y FÓRMULAS DEL FENÓMENO FÍSICO DEL EFECTO FOTOELÉCTRICOEste efecto, se trata de otro fenómeno que, al igual que la radiación de cuerpo negro, tambiéninvolucra la interacción entre la radiación y la materia. Pero esta vez se trata de absorción deradiación de metalesHeinrich Hertz (1857-1894), científico alemán, fue el primero en observar el efectofotoeléctrico, en 1887, mientras trabajaba en la generación de ondas de radio. Informó estaobservación pero no se dedicó a explicarla
  4. 4. Al incidir luz ultravioleta sobre el cátodo metálico (fotocátodo) se detecta el paso de una corriente eléctrica. Se trata de electrones que abandonan el cátodo (colector) y se dirigen al ánodo a través del vacío dentro del tubo. Los electrodos se hallan conectados a una diferencia de potencial de sólo unos pocos voltios.La teoríaelectromagnética clásicaconsidera quela radiación demayorintensidad (obrillo, si esvisible), quecorresponde aondas de mayoramplitud,transportamayor energía.Esta energía sehalla distribuidauniformementea lo largo delfrente de onda.La intensidad esigual a laenergía queincide, cadaunidad detiempo, en unaunidad desuperficie. Con radiación ultravioleta de diferentes intensidades, los electrones salen del metal con la misma velocidad. La radiación más intensa arranca mayor número de electrones. Esta observación también resultaba inexplicable.
  5. 5. Con luz ultravioleta, aun de baja intensidad, los electrones son arrancados prácticamente en forma instantánea, aunque la Física clásica predecía un tiempo de retardo hasta que los átomos absorbieran la energía necesaria para expulsar el electrón. Con luz visible este fenómeno no se observa, aunque se aumente la intensidad de la luz y se ilumine durante mucho tiempo, como para que el átomo absorba bastante energía. Esta observación resultaba inexplicable.EXPLICACION FISICA DEL FENOMENOPlanck había llegado a la conclusión de que el traspaso deenergía entre la materia y la radiación en el cuerpo negroocurría a través de paquetes de energía. Sin embargo, noquiso admitir que la energía radiante una vez desprendida dela materia también viajaba en forma corpuscular. Es decir quesiguió considerando a la radiación que se propaga como unaonda clásica.En 1905, Albert Einstein fue un paso más allá al explicarcompletamente las características del efecto fotoeléctrico. Para ello retomó la idea del cuanto de energía de Planck, postulando que: La radiación electromagnética está compuesta por paquetes de energía o fotones. Cada fotón transporta una energía
  6. 6. E= v . h , donde v es la frecuencia de la radiación y h es la constante de Planck.Cuando un fotón incide sobre el metal, transfiere toda su energía a alguno de los electrones. Siesta energía essuficiente para romper la ligadura del electrón con el metal, entonces el electrón sedesprende. Si el fotón transporta más energía de la necesaria, este exceso se transforma enenergía cinética del electrón:Expresado en fórmula matematica es: Ecinética = h . v - Eextraccióndonde Eextracción es la energía necesaria para vencer la unión con el metal.Esta teoría explica perfectamente los hechos observados:1. Si la frecuencia de la radiación es baja (como en la luz visible), los fotones no acarrean lasuficiente energía como para arrancar electrones, aunque se aumente la intensidad de la luz o el tiempo durante el cual incide. Para cada tipo de material existe una frecuencia mínima por debajo de la cual no se produce el efecto fotoeléctrico. 2. Si la frecuencia de la radiación es suficiente para que se produzca el efecto fotoeléctrico, un crecimiento de la intensidad hace que sea mayor el número de electrones arrancados (por ende será mayor la corriente), pero no afecta la velocidad de los electrones. Aumentar la intensidad de la luz equivale a incrementar el número de fotones, pero sin aumentar la energía que transportacada uno.3. Según la teoría clásica, habría un tiempo de retardo entre la llegada de la radiación y laemisión del primer electrón. Ya que la energía se distribuye uniformemente sobre el frente dela onda incidente, ésta tardaría al menos algunos cientos de segundos en transferir la energíanecesaria. La teoría de Einstein, en cambio, predice que:
  7. 7. Una radiación de frecuencia adecuada, aunque de intensidad sumamente baja, produceemisión de electrones en forma instantánea.Pasaron diez años de experimentación hasta que la nueva teoría fue corroborada y aceptada.Se determinó el valor de h a partir de experiencias de efecto fotoeléctrico y se encontró queconcordaba perfectamente con el valor hallado por Planck a partir del espectro de radiación decuerpo negro.Desde ese momento los físicos aceptaron que, si bien la luz se propaga como si fuera unaonda, al interactuar con la materia (en los procesos de absorción y emisión) se comporta comoun haz de partículas. Esta sorprendente conducta es lo que se ha llamado la naturaleza dual dela luz. Esto muestra que las ideas surgidas del mundo macroscópico no son aplicables alinimaginable mundo de lo diminuto.

×