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EL EFECTO FOTOELÉCTRICO
2204/14/2304/14/23
Puntos a tratarPuntos a tratar
Hechos Históricos
El Efecto Fotoeléctrico
Aplicaciones
Bibliografia
3304/14/2304/14/23
EL EFECTO FOTOELÉCTRICOEL EFECTO FOTOELÉCTRICOHECHOS HISTÓRICOSHECHOS HISTÓRICOS
LA LUZ
Corpúsculo Ondas
Isaac Newton(1642 – 1727)
Christiaan Huygens(1629 – 1695)
4404/14/2304/14/23
COMIENZOS DEL SIGLO XIXCOMIENZOS DEL SIGLO XIX
Experimento de la Doble Rendija
Thomas Young1801
LA LUZ
Corpúsculo
5504/14/2304/14/23
FINALES DEL SIGLO XIXFINALES DEL SIGLO XIX
Onda Electromagnética
LA LUZ
Ondas
James Maxwell1864
6604/14/2304/14/23
Notó que un objeto cargado pierde su carga
más fácilmente al ser iluminado por la Luz
Ultravioleta
Heinrich Hertz1887
J. J. Thompson1889
Tubo de Rayos Catódicos
FINALES DEL SIGLO XIXFINALES DEL SIGLO XIX
7704/14/2304/14/23
SIGLO XXSIGLO XX
Max Planck1901
Albert Einstein1905
La luz puede tener sólo algunos valores
específicos de energía
La luz esta hecha de partículas que pueden
tener sólo valores fijos de energía
8804/14/2304/14/23
SIGLO XXSIGLO XX
Robert Millikan1915
Albert Einstein1905
Mide la energia de los electrones liberados en el
Efecto Fotoeléctrico
La luz esta hecha de partículas que pueden
tener sólo valores fijos de energía
Premio Nobel 1921
9904/14/2304/14/23
Efecto FotoeléctricoEfecto Fotoeléctrico
El efecto fotoeléctrico consiste en la capacidad que El efecto fotoeléctrico consiste en la capacidad que posee la luz para arrancar electrones de una superficie posee la luz para arrancar electrones de una superficie metálica.metálica.
101004/14/2304/14/23
Efecto Fotoeléctrico EsquemáticoEfecto Fotoeléctrico Esquemático
Cuando la luz golpea la E Cuando la luz golpea la E que, los fotoelectrones que, los fotoelectrones son emitidos son emitidos
Los electrones tranquilos Los electrones tranquilos en C y pasando por el en C y pasando por el amperímetro son una amperímetro son una corriente en el circuito corriente en el circuito
C es mantenido en un C es mantenido en un potencial positivo por la potencial positivo por la fuente de energía fuente de energía
111104/14/2304/14/23
Gráfico de Corriente/Voltaje FotoeléctricoGráfico de Corriente/Voltaje Fotoeléctrico
La corriente aumenta con la La corriente aumenta con la intensidad, pero los alcances intensidad, pero los alcances un nivel de saturación para el un nivel de saturación para el ΔV’sΔV’s grande grande
Ninguna corriente fluye para Ninguna corriente fluye para voltajes menos que o igual a - voltajes menos que o igual a - –ΔV–ΔVss, el potencial parador , el potencial parador
El potencial de frenado es El potencial de frenado es independiente de la intensidad independiente de la intensidad de radiación de radiación
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Rasgos No Explicados por Física/Teoría Rasgos No Explicados por Física/Teoría ondulatoria Clásicaondulatoria Clásica
Ningunos electrones son emitidos, si la frecuencia de luz Ningunos electrones son emitidos, si la frecuencia de luz de incidente es menor de alguna frecuencia de frenado de incidente es menor de alguna frecuencia de frenado que es característica del material siendo iluminado.que es característica del material siendo iluminado.
la energía cinética máxima de los fotoelectrones es la energía cinética máxima de los fotoelectrones es independiente de la intensidad ligera (de luz).independiente de la intensidad ligera (de luz).
los Electrones son emitidos de la superficie casi al los Electrones son emitidos de la superficie casi al instante, aún en intensidades bajas instante, aún en intensidades bajas
131304/14/2304/14/23
La Explicación de EinsteinLa Explicación de Einstein
Un paquete diminuto de energía ligera ( de luz), llamada un fotón, Un paquete diminuto de energía ligera ( de luz), llamada un fotón, sería emitido cuando un oscilador cuantificado salta de un nivel de sería emitido cuando un oscilador cuantificado salta de un nivel de energía al siguiente más bajoenergía al siguiente más bajo
la idea de Planck Ampliado por el de quantización a la radiación la idea de Planck Ampliado por el de quantización a la radiación electromagnética electromagnética
La energía del fotón sería la La energía del fotón sería la E = hE = hƒƒ
Cada fotón puede dar toda su energía a un electrón en el metalCada fotón puede dar toda su energía a un electrón en el metal
la energía máxima cinética del fotoelectrón liberado es la energía máxima cinética del fotoelectrón liberado es
KE = hKE = hƒ – Φƒ – Φ
ΦΦ llaman a la llaman a la función de trabajofunción de trabajo del metal del metal
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Verificación de la Teoría de EinsteinVerificación de la Teoría de Einstein
Las observaciones Las observaciones experimentales de una relación experimentales de una relación lineal entre KE y frecuencia lineal entre KE y frecuencia confirman la teoría de Einsteinconfirman la teoría de Einstein
La intersección en X es la La intersección en X es la frecuencia mínima umbral (de frecuencia mínima umbral (de frenado)frenado)
cf h
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Problema: fotoefectoProblema: fotoefecto
Los electrones son expulsados de una superficie metálica con Los electrones son expulsados de una superficie metálica con velocidades que se extienden hasta 4.6 × 105 m/s cuando la luz velocidades que se extienden hasta 4.6 × 105 m/s cuando la luz con una longitud de onda de con una longitud de onda de λλ = 625 nm es usada. = 625 nm es usada.
(a) ¿Cuál es la función de trabajo de la superficie?(a) ¿Cuál es la función de trabajo de la superficie?
(b) ¿Cuál es la frecuencia de atajo para esta superficie?(b) ¿Cuál es la frecuencia de atajo para esta superficie?
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Los electrones son expulsados de una superficie metálica con velocidades que se Los electrones son expulsados de una superficie metálica con velocidades que se extienden hastaextienden hasta 4.6 × 104.6 × 1055 m/s m/s cuando la luz con una longitud de onda decuando la luz con una longitud de onda de λ = 625 λ = 625 nm nm es usadaes usada. . (a) ¿Cuál es la función de trabajo de la superficie?(a) ¿Cuál es la función de trabajo de la superficie? (b)¿ Cuál es la frecuencia mínima umbral para esta superficie? (b)¿ Cuál es la frecuencia mínima umbral para esta superficie?
Dado:
v = 4.6x105 m/s = 625 nm
hallar:
= ? =?
Recordar: KEKEmaxmax=hf - =hf - . esto puede ser usado para
encontrar el primero debemos tener la energia primero debemos tener la energia cineticacinetica
2
31 5 20maxmax
19.11 10 4.6 10 9.6 10
2 2
mvKE kg m s J
Asi:
La frecuencia mínima es:
1914
34
2.2 103.3 10
6.63 10c
Jf Hz
h J s
19max max 2.2 10
hchf KE KE J
Esto igual a 1.4 eV
Aplicaciones del Efecto FotoeléctricoAplicaciones del Efecto Fotoeléctrico
Es la base de la producción de energía eléctrica por radiación solar y del aprovechamiento energético de la energía solar.
Para la fabricación de células utilizadas en los detectores de llama de las calderas de las grandes usinas termoeléctricas.
Las células fotoeléctricas: Usadas para la detección de presencia y los equipos fotovoltaicos de los paneles de energía solar.
El efecto fotoeléctrico se aprovecha en numerosos campos de la ciencia y la técnica.
181804/14/2304/14/23
Aplicaciones del Efecto FotoeléctricoAplicaciones del Efecto Fotoeléctrico
En diodos fotosensibles tales como los que se utilizan en En diodos fotosensibles tales como los que se utilizan en las las células fotovoltaicascélulas fotovoltaicas y en electroscopios o y en electroscopios o electrómetros.electrómetros.
Las cLas céélulas fotoellulas fotoelééctricas que se utilizan como ctricas que se utilizan como interruptores se construyen basinterruptores se construyen basáándose en el efecto ndose en el efecto fotoelfotoelééctrico. Colocadas en un circuito controlan el paso de ctrico. Colocadas en un circuito controlan el paso de la corriente: conducen cuando se iluminan y bloquean el la corriente: conducen cuando se iluminan y bloquean el paso de corriente cuando no incide la luz en ellas . paso de corriente cuando no incide la luz en ellas .
Las cLas céélulas fotovoltaicas en combinacilulas fotovoltaicas en combinacióón con reln con reléés forman s forman parte de muchos mecanismos automparte de muchos mecanismos automááticos.ticos.
Estación de radioenlace Madrid-Sevilla (aplicación de la energía solar fotovoltaica a sistemas de comunicación)
fotosensibles
191904/14/2304/14/23
Aplicaciones del Efecto FotoeléctricoAplicaciones del Efecto Fotoeléctrico
Los dispositivos llamados fotodiodos y foto multiplicadores que Los dispositivos llamados fotodiodos y foto multiplicadores que se basan en este principio, intervienen en procesos como:se basan en este principio, intervienen en procesos como:
El control de productos industriales El control de productos industriales
Las transmisiones por fax Las transmisiones por fax
Los tubos de televisión o los amplificadores de imágenes. Los tubos de televisión o los amplificadores de imágenes.
fotodiodos
tubos fotomultiplicadores
amplificadores de potenciaamplificadores de potencia
transmisión por fax control de productos industriales
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Conclusiones de los hechos experimentalesConclusiones de los hechos experimentales
La intensidad de la corriente fotoeléctrica (i, amperios, reflejo del número de La intensidad de la corriente fotoeléctrica (i, amperios, reflejo del número de electrones liberados) que origina una radiación de una determinada longitud electrones liberados) que origina una radiación de una determinada longitud de onda que incide sobre una superficie metálica, aumenta si aumentamos de onda que incide sobre una superficie metálica, aumenta si aumentamos la intensidad de radiación "I" (watios/mla intensidad de radiación "I" (watios/m22).).
Cada metal requiere, para que se produzca la extracción, una radiación de Cada metal requiere, para que se produzca la extracción, una radiación de una frecuencia mínima(una frecuencia mínima(vvoo ). Otra radiación de menor frecuencia no será ). Otra radiación de menor frecuencia no será capaz de arrancarle electrones. capaz de arrancarle electrones.
Por debajo de la frecuencia mínima “i” será cero (no hay efecto Por debajo de la frecuencia mínima “i” será cero (no hay efecto fotoeléctrico). fotoeléctrico).
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La emisión es prácticamente instantánea y no depende de la La emisión es prácticamente instantánea y no depende de la intensidad (I, watios/mintensidad (I, watios/m22) de la luz incidente. El tiempo es del orden ) de la luz incidente. El tiempo es del orden de 10 de 10 –9–9s(1ns). s(1ns).
La energía cinética de los electrones emitidos depende de la La energía cinética de los electrones emitidos depende de la frecuencia de la radiación incidente y de la posición que ocupe ese frecuencia de la radiación incidente y de la posición que ocupe ese electrón que va a ser extraído en el metal:electrón que va a ser extraído en el metal:
(La energía incidente menos el trabajo de extracción es igual a la (La energía incidente menos el trabajo de extracción es igual a la energía cinética del electrón extraído). energía cinética del electrón extraído). Ecuación de Einstein.Ecuación de Einstein.
232304/14/2304/14/23
Existe un potencial de corte (VExiste un potencial de corte (Voo) o potencial de frenado para el que ) o potencial de frenado para el que
i=0. Este potencial de corte es independiente de la intensidad de la i=0. Este potencial de corte es independiente de la intensidad de la radiación (I), pero depende de la frecuencia de esa radiación.radiación (I), pero depende de la frecuencia de esa radiación.
El producto del potencial por la carga es trabajo (por la definición de El producto del potencial por la carga es trabajo (por la definición de potencial V= W/q).El trabajo de frenado (Vpotencial V= W/q).El trabajo de frenado (Voo.q), debe ser suficiente .q), debe ser suficiente
para frenar a los electrones más rápidos, que son los que estaban para frenar a los electrones más rápidos, que son los que estaban menos ligados:menos ligados:
VVoo·q·qee = ½ m v = ½ m v22..
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En la En la figurafigura, vemos varios electrones , vemos varios electrones (bolas rojas). El electrón ligado al (bolas rojas). El electrón ligado al metal con una energía Emetal con una energía Emm (máxima) es extraído, alcanzando la (máxima) es extraído, alcanzando la energía cinética máxima. Otro energía cinética máxima. Otro electrón más ligado, situado en Eelectrón más ligado, situado en E ii, , requerirá más energía de extracción requerirá más energía de extracción y le quedará menos para su energía y le quedará menos para su energía cinética. Un electrón muy ligado no cinética. Un electrón muy ligado no podrá ser extraído.podrá ser extraído.
252504/14/2304/14/23
Millikan realizó el estudio de la Millikan realizó el estudio de la relación entre el potencial de corte relación entre el potencial de corte (V(Voo) y la frecuencia de la luz ) y la frecuencia de la luz incidente iluminando diferentes incidente iluminando diferentes metales. Iluminó sodio y potasio con metales. Iluminó sodio y potasio con luces de distinta frecuencia.luces de distinta frecuencia.
En realidad estamos representando En realidad estamos representando la energía cinética máxima de los la energía cinética máxima de los electrones frente a varias electrones frente a varias frecuencias de luz incidente.frecuencias de luz incidente.
... Se denomina energía máxima ... Se denomina energía máxima por fotoelectrón:por fotoelectrón:
VVoo·q = hv - hv·q = hv - hv00
La frecuencia de extracción es La frecuencia de extracción es menor para el potasio que para el menor para el potasio que para el sodio.sodio.
V0 · qe
h
K
Na
262604/14/2304/14/23
Lo sorprendenteLo sorprendente
La nueva teoría contradice “el sentido común”. Una luz La nueva teoría contradice “el sentido común”. Una luz potente (intensa) no logra electrones más energéticos potente (intensa) no logra electrones más energéticos que los que logra una luz débil.que los que logra una luz débil.
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BIBLIOGRAFÍABIBLIOGRAFÍA
http://es.wikipedia.org/wiki/Efecto_fotoel%C3%A9ctricohttp://es.wikipedia.org/wiki/Efecto_fotoel%C3%A9ctricohttp://es.wikipedia.org/wiki/Rayos_cat%C3%B3dicoshttp://es.wikipedia.org/wiki/Rayos_cat%C3%B3dicoshttp://es.wikipedia.org/wiki/Philipp_Lenardhttp://es.wikipedia.org/wiki/Philipp_Lenardhttp://es.wikipedia.org/wiki/http://es.wikipedia.org/wiki/Albert_Einstein#Efecto_fotoel.C3.A9ctricoAlbert_Einstein#Efecto_fotoel.C3.A9ctricohttp://es.wikipedia.org/wiki/Robert_Andrews_Millikanhttp://es.wikipedia.org/wiki/Robert_Andrews_Millikan