EFECTO FOTOELECTRICOEFECTO FOTOELECTRICOHistoria - DescripciónHistoria - Descripción

AutorAutor: Edison Rosero : Edison Rosero

Universidad Nacional de Universidad Nacional de ColombiaColombiaBogotá DCBogotá DC

IntroducciónIntroducción::

• Los griegos pensaban que la luz Los griegos pensaban que la luz estaba compuesta corpúsculos.estaba compuesta corpúsculos.

• Newton empleó esta teoría Newton empleó esta teoría corpuscular para explicar la reflexión y corpuscular para explicar la reflexión y la refracción de la luz.la refracción de la luz.

• El científico Christian Huygens, en 1670 El científico Christian Huygens, en 1670 pudo explicar muchas propiedades de la pudo explicar muchas propiedades de la luz, al pensar que la luz estaba también luz, al pensar que la luz estaba también conformada por ondas. conformada por ondas.

• En 1801, Thomas Young demostró que En 1801, Thomas Young demostró que la luz tiene fenómenos ondulatorios a la luz tiene fenómenos ondulatorios a través de experimentos de difracción e través de experimentos de difracción e interferencia.interferencia.

• En el 1965 Maxwell desarrolló una En el 1965 Maxwell desarrolló una teoría impresionante en la que teoría impresionante en la que demostró que la luz estaba conformada demostró que la luz estaba conformada por ondas electromagnéticas y que por ondas electromagnéticas y que viajaban a la rapidez de la luz. (c = 3 x viajaban a la rapidez de la luz. (c = 3 x 10 10 8 m8 m//ss))

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

• La teoría ondulatoria electromagnética La teoría ondulatoria electromagnética clásica explica de forma apropiada de la clásica explica de forma apropiada de la propagación de la luz y de los efectos de propagación de la luz y de los efectos de interferencia.interferencia.

Historia: Historia:

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

H. Hertz H. Hertz

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

J.J. ThomsonJ.J. Thomson

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

““Toda nuestra Ciencia, comparada con la Toda nuestra Ciencia, comparada con la Realidad, es primitiva e infantil... Realidad, es primitiva e infantil... Y sin embargo, es lo más preciado que Y sin embargo, es lo más preciado que tenemos” tenemos” [1][1]

(Albert Einstein)(Albert Einstein)

Albert EinsteinAlbert Einstein

•De acuerdo con el concepto de que De acuerdo con el concepto de que la luz que incide, es tomada como la luz que incide, es tomada como cuantos de energía de magnitud cuantos de energía de magnitud igual al producto de la constante de igual al producto de la constante de Planck h por la frecuencia de la luz.Planck h por la frecuencia de la luz.

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

Descripción: Descripción:

Figura 1. Figura 1.

Diagrama esquemático del experimento para Diagrama esquemático del experimento para estudiar el efecto fotoeléctrico.estudiar el efecto fotoeléctrico.

El efecto fotoeléctrico es la emisión de El efecto fotoeléctrico es la emisión de electrones electrones

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

Explicación de la figura 1:Explicación de la figura 1:

• El experimento se halla en un tubo El experimento se halla en un tubo al vacío.al vacío.

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

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

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

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

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

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

Sea Sea f f la mínima energía para que un la mínima energía para que un electrón sea desprendido del metal, y si electrón sea desprendido del metal, y si f > f > φφ (propiedad del material: Función (propiedad del material: Función trabajo), éstos electrones saldrán trabajo), éstos electrones saldrán despedidos con una energía cinética:despedidos con una energía cinética:

K=f – K=f – φφY los electrones con mayor energía Y los electrones con mayor energía cinética serán los que están ligados al cinética serán los que están ligados al material con una energía material con una energía φφ00::

Kmax = f - φKmax = f - φ00

El experimento:El experimento:

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

φ = h. fφ = h. fmin min

Donde Donde ffmin min es la frecuencia umbral mínima es la frecuencia umbral mínima para poder extraer un electrón; que es para poder extraer un electrón; que es característica de cada metal.característica de cada metal.Ahora si se varia el voltaje (V) y se registra Ahora si se varia el voltaje (V) y se registra la fotocorriente (i) para diferentes la fotocorriente (i) para diferentes intensidades (I) y frecuencias intensidades (I) y frecuencias ff de la de la radiación incidente y diferentes materiales radiación incidente y diferentes materiales M. Se observa que a mayor M. Se observa que a mayor VV aplicado aplicado mayor mayor ii. Si . Si VV se hace negativo existe un se hace negativo existe un VV00 tal que para un tal que para un VV menor no se produce menor no se produce fotocorriente (Contravoltaje)fotocorriente (Contravoltaje)

Figura 2Figura 2

Observaciones Experimentales:Observaciones Experimentales:

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

10

ii

Figura 3Figura 3

Para frecuencias mayores a la Para frecuencias mayores a la frecuencia umbral:frecuencia umbral:

Para frecuencias menores a la Para frecuencias menores a la frecuencia umbral:frecuencia umbral:

Figura 4.1Figura 4.1

Figura 4.2Figura 4.2

2-Al aumentar V se produce 2-Al aumentar V se produce CORRIENTE de SATURACION. CORRIENTE de SATURACION.

3- La fotocorriente es proporcional a la 3- La fotocorriente es proporcional a la Intensidad incidente.Intensidad incidente.

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

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

Contravoltaje:Contravoltaje:

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

Donde el corte en X es la frecuencia umbral y Donde el corte en X es la frecuencia umbral y VV0 0 es la energía cinética máxima.es la energía cinética máxima.

Figura 6Figura 6

Conclusiones:Conclusiones:

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

Energía del fotón Energía del fotón == Trabajo de frenado + Función de trabajoTrabajo de frenado + Función de trabajo

EEfotónfotón == KeKemaxmax + + w w

  

hf =hf = KEKEmaxmax + + hf hfoo

KEKEmaxmax = = hf - hf hf - hfoo

KEKEmaxmax == h (f – fh (f – foo))

•Al momento de graficar la máxima energía Al momento de graficar la máxima energía de los electrones liberados de la superficie de los electrones liberados de la superficie de un cierto metal versus la frecuencia delde un cierto metal versus la frecuencia delfotón incidente, podemos observar que es una fotón incidente, podemos observar que es una línea recta, además todos los metales línea recta, además todos los metales presentan la misma curva con la misma presentan la misma curva con la misma pendiente, solo cambian en el punto de origen pendiente, solo cambian en el punto de origen que varia con la frecuencia de entrada que varia con la frecuencia de entrada ff00 del del metal.metal.•La energía que se necesita para liberar el La energía que se necesita para liberar el electrones de la superficie de un metal se electrones de la superficie de un metal se llama función de trabajo (llama función de trabajo (φφ ) y es igual a ) y es igual a ff00 . .

Bibliografía:Bibliografía:

•Introducción a la Física Moderna, 1° edición Introducción a la Física Moderna, 1° edición 1987, Mauricio García Castañeda, Jeannine 1987, Mauricio García Castañeda, Jeannine Ewert De-Geus, Universidad Nacional de Ewert De-Geus, Universidad Nacional de Colombia, Bogota-Centro Editorial.Colombia, Bogota-Centro Editorial.•[1]:[1]:http://cienciaaprendizaje.blogspot.com/2008/05/el-problema-de-la-educacinuna-pregunta.html•Figuras 2, 3, 4.1,4.2, 5, 6 tomadas de: Figuras 2, 3, 4.1,4.2, 5, 6 tomadas de: http://www.docentes.unal.edu.co/cdramirezgo/docs/foto-compton.ppt#268,8..•Figura 1 tomada de: Figura 1 tomada de: http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/cuantica/fotoelectrico/fotoelectrico.htm. .

Declaración de ética:Declaración de ética:

Este documento es propio del autorEste documento es propio del autortodas las referenciastodas las referencias

y material utilizado han sido y material utilizado han sido nombradosnombrados

respectivamente.respectivamente.