EFECTO FOTOELECTRICOEFECTO FOTOELECTRICOHistoria - DescripciónHistoria - Descripción

Autor: Edison Rosero

Universidad Nacional de ColombiaBogotá DC

Introducción:

• Los griegos pensaban que la luz estaba compuesta por diminutas partículas (corpúsculos) emitidas por una fuente luminosa y que al incidir sobre el ojo del observador estimulaban la percepción de la visión. • Newton empleó esta teoría corpuscular para explicar la reflexión y la refracción de la luz.

• El científico holandés Christian Huygens, (1670) pudo explicar muchas propiedades de la luz incluyendo la reflexión y la refracción a partir de su proposición de que la luz está conformada por ondas.

• En 1801, Thomas Young demostró que los haces luminosos pueden interferir entre sí, lo que apoyo a la teoría ondulatoria de la luz.

• En el 1965 Maxwell desarrolló una teoría impresionante en la que demostró que la luz estaba conformada por ondas electromagnéticas y que viajaban a la rapidez de la luz. (c = 3 x 10 8 m/s)

• Hoy en día los científicos ven a la luz con una naturaleza dual. En algunos experimentos la luz se comporta como partículas y en otros experimentos presenta propiedades ondulatorias.

• La teoría ondulatoria electromagnética clásica proporciona una explicación adecuada de la propagación de la luz y de los efectos de interferencia, en tanto que el efecto de interacción de la luz con la materia se explica mejor suponiendo que la luz es una partícula.

Historia:

• Cuando incide luz sobre algunas superficies metálicas se emiten partículas cargadas (Hertz 1887)

H. Hertz

•Thomson demostró en 1899 que son electrones: Efecto fotoeléctrico.Los electrones emitidos se llaman fotoelectrones.

J.J. Thomson

•En 1905, Albert Einstein retomó la teoría corpuscular de la luz para explicar la emisión de electrones de superficies metálicas expuestas a haces luminosos.

“Toda nuestra Ciencia, comparada con la Realidad, es primitiva e infantil... Y sin embargo, es lo más preciado que tenemos”

(Albert Einstein)

Albert Einstein

•De acuerdo con el concepto de que la luz incidente consiste de cuantos de energía de magnitud igual al producto de la constante de Planck h por la frecuencia de la luz.

•Los electrones están ligados a los átomos en el metal.

Descripción:

Figura 1.

Diagrama esquemático del experimento para estudiar el efecto fotoeléctrico.

El efecto fotoeléctrico es la emisión de electrones

desde una placa de metal expuesta a ciertas frecuencias de luz.

Explicación de la figura 1:

• El experimento se halla en un tubo al vacío.

• Se establece una diferencia en potencial a través de los electrodos por medio de una fuente de voltaje (se puede variar la diferencia de potencial).

• Se utiliza un amperímetro para detectar y medir la cantidad de corriente en el circuito.

• En ausencia de la luz, la corriente no fluye en el circuito.

• Cuando la luz de cierta frecuencia incide en la placa A, la corriente fluye en el circuito.

• La luz arranca electrones de la placa A. Estos electrones viajan hacia la placa negativa completando el circuito.

• Los electrones arrancados de la placa de metal se llaman fotoelectrones y son iguales que otros electrones.

Si disponemos de un mecanismo que suministre una energía , f > φ a los electrones del metal, éstos saldrán despedidos con una energía cinética:

K=f – φY los electrones con mayor energía cinética serán los que están ligados al material con una energía Wo:

Kmax = f - φ0

Φ0 = propiedad del material: Función trabajo.

El experimento:

El trabajo (Energía Umbral) para la extracción del electrón del metal sería igual a:

φ = h. fmin

Donde fmin es la frecuencia umbral mínima para poder extraer un electrón; que es característica de cada metal.Ahora si se varia el voltaje y se registra la fotocorriente (i) para diferentes intensidades (I) y frecuencias de la radiación incidente y diferentes materiales M. Se observa que a mayor V aplicado mayor fotocorriente (i). Si V se hace negativo existe un V0 tal que para V menor no se produce fotocorriente (Contravoltaje)

Observaciones Experimentales:

1-Dependiendo del material de la placa M, existe una frecuencia mínima f, para que exista FOTOCORRIENTE.Nota: Para frecuencias menores a la FRECUENCIA UMBRAL no se presenta fotocorriente.

10

i

Para frecuencias mayores a la frecuencia umbral:

Para frecuencias menores a la frecuencia umbral:

2-Al aumentar V se produce CORRIENTE de SATURACION.

3- La fotocorriente es proporcional a la Intensidad incidente.

4- El contravoltaje depende de la frecuencia de la radiación incidente.

Para estimar el contravoltaje: primero se establece una diferencia en potencial a través del tubo, esto significa que el voltaje tiende a evitar que los electrones escapen de la placa A. La diferencia en potencial opuesta, se incrementa hasta que ningúnelectrón tenga suficiente energía para viajar a travésdel tubo. Esta diferencia de potencial se llama trabajo (W) de frenado y debe de ser capaz de parar electrones con energía cinética máxima. El trabajohecho debe ser igual a la energía cinética máxima de estos electrones.

Contravoltaje:

5- Energía cinética máxima depende de la frecuencia de la radiación incidente. (Experimento de Milikan)

Donde el corte en X es la frecuencia umbral y V0 es la energía cinética máxima.

Conclusiones:

• La relación que existe entre el trabajo (función trabajo) que se hace para liberar los electrones de la superficie del metal y la del trabajo que se hace para parar los electrones es que si sumamos estos dos podemos representar la energía del fotón que incide sobre el metal.

Energía del fotón = Trabajo de frenado + Función de trabajo

Efotón = Kemax + w

 

hf = KEmax + hfo

KEmax = hf - hfo

KEmax = h (f – fo)

•Al momento de graficar la máxima energía de los electrones liberados de la superficie de un cierto metal versus la frecuencia delfotón incidente, podemos observar que es una línea recta, además todos los metales presentan la misma curva con la misma pendiente, solo cambian en el punto de origen que varia con la frecuencia de entrada f0 del metal.•La energía que se necesita para liberar el electrones de la superficie de un metal se llama función de trabajo (φ ) y es igual a f0 .