el efecto fotoelÃƒÂ©ctrico

www.unicesar.edu.co

Campus Universitario Sede Sabanas Bloque G Tel: 5850223 Ext. 1123 [email protected] Valledupar Cesar Colombia

Contigo es posible

La Universidad un espacio de desarrollo integral

UNIVERSIDAD POPULAR DEL CESAR FACULTAD DE CIENCIAS BSICAS DE LA EDUCACIN

LICENCIATURA EN MATEMTICAS Y FSICA

IDENTIFICACIN

LABORATORIOS DE FSICA MIGUEL NGEL VARGAS Z.

GUA DE LABORATORIO FSICA MODERNA: El Efecto Fotoelctrico

EXPERIMENTAL III

INTRODUCCIN

Una de las grandes discusiones en el mundo de la fsica y de la ciencia en general se dio, a finales del

siglo XVII, acerca de la naturaleza de las radiaciones electromagnticas, especficamente de la luz.

Un grupo de cientficos encabezados por Huygens defendan su naturaleza ondulatoria, mientras que

otro grupo encabezado por Newton defendan su naturaleza corpuscular. La gran credibilidad de

Newton hace que para principios del siglo XVIII, la comunidad cientfica en general acepte la

naturaleza corpuscular de la luz. Por lo que la teora de Huygens qued completamente ignorada

hasta la primera mitad del siglo XIX, cuando Thomas Young slo pudo explicar el fenmeno de

interferencia suponiendo que la luz fuese en realidad una onda. Otros estudios de la misma poca

explicaron fenmenos como la difraccin y la polarizacin teniendo en cuenta la teora ondulatoria.

El golpe final a la teora corpuscular pareci llegar en 1848, cuando se consigui medir la rapidez de

la luz en diferentes medios y se encontr que variaba de forma totalmente opuesta a como lo haba

supuesto Newton. Debido a esto, casi todos los cientficos aceptaron que la luz tena una naturaleza

ondulatoria. Sin embargo todava quedaban algunos puntos por explicar como la propagacin de la

luz a travs del vaco, ya que todas las ondas conocidas se desplazaban usando un medio fsico, y la

luz viajaba incluso ms rpido que en el aire o el agua. Se supona que este medio era el ter del que

hablaba Huygens, pero nadie lo consegua encontrar. Sin embargo, todo pareca aclararse a favor de

Huygens cuando en 1845, Michael Faraday descubri que el ngulo de polarizacin de la luz se poda

modificar aplicndole un campo magntico (efecto Faraday), proponiendo dos aos ms tarde que la

luz era una vibracin electromagntica de alta frecuencia. James Clerk Maxwell, inspirado por el

trabajo de Faraday, estudi matemticamente estas ondas electromagnticas y se dio cuenta de que

siempre se propagaban a una rapidez constante, que coincida con la rapidez de la luz, y de que no

necesitaban medio de propagacin ya que se autopropagaban. La confirmacin experimental de las

teoras de Maxwell elimin las ltimas dudas que se tenan sobre la naturaleza ondulatoria de la luz.

No obstante, a finales del siglo XIX, se fueron encontrando nuevos efectos que no se podan explicar

suponiendo que la luz fuese una onda, como, por ejemplo, el efecto fotoelctrico, esto es, la emisin

de electrones de las superficies de slidos y lquidos cuando son iluminados. Los trabajos sobre el

proceso de absorcin y emisin de energa por parte de la materia slo se podan explicar si uno

www.unicesar.edu.co


Contigo es posible


asuma que la luz se compona de partculas. Entonces la ciencia lleg a un punto muy complicado e

incomodo: se conocan muchos efectos de la luz, sin embargo, unos slo se podan explicar si se

consideraba que la luz era una onda, y otros slo se podan explicar si la luz era una partcula.

Los esfuerzos se centran ahora en explicar de manera razonable las observaciones en el efecto

fotoelctrico. En 1900 Max Planck, basndose en la teora clsica de ondas, intentaba formular una

teora para explicar sus resultados experimentales de radiacin del cuerpo negro, es decir de la

energa radiada por un objeto que absorbe toda la energa que recibe. Planck consigui ajustar

perfectamente los datos experimentales de sus observaciones introduciendo la siguiente hiptesis: la

energa radiante no se emite y absorbe de forma continua sino en pequeos paquetes discretos, o

cuantos. Adems dedujo que la energa de un cuanto deba ser proporcional a la frecuencia de

radiacin: E = h, donde h, la constante de proporcionalidad, es llamada constante de Planck (h =

6.626x10-34

J s).

Es finalmente Einstein, en 1905, al utilizar la idea de Planck de la cuantizacin quien logra explicar

las caractersticas del efecto fotoelctrico (por esta explicacin recibi el premio Nobel en 1921) y

concluy que la radiacin de frecuencia (monocromtica) se comporta como si constara de un

nmero finito de cuantos de energa, localizados e independientes, cada uno de ellos con energa E =

h. En la nomenclatura actual, introducida por Lewis, estos cuantos reciben el nombre de FOTONES.

En esta prctica se trata de comprobar de forma experimental las caractersticas del efecto

fotoelctrico y a partir de ellas determinar el valor de la constante de Planck.

1. CONCEPTOS BSICOS

La emisin de electrones en un material alcalino por accin de la luz se denomina Efecto

Fotoelctrico. Por la explicacin terica de este fenmeno Albert Einstein, recibi el premio Nobel en

1921 y por su contribucin experimental Robert Andrews Millikan lo obtuvo en 1923. En 1905

Albert Einstein propuso una explicacin que relaciona la forma como depende la emisin

fotoelctrica de la frecuencia de radiacin. Einstein sugiri que los electrones libres, en su interaccin

con la radiacin electromagntica, se comportan en la forma propuesta por Max Planck, para los

osciladores atmicos en relacin con la radiacin de cuerpo negro, segn la cual cada oscilador puede

absorber o emitir una cantidad de energa discreta, o cuanto de energa posteriormente llamado Fotn.

La ecuacin que proporciona la energa de un cuanto es:

E = hv (1.1)

En la cual, E es la energa absorbida o emitida en cada proceso, h una constante de proporcionalidad

(posteriormente llamada constante de Planck, h = 6.625 1034

Js), v la frecuencia de radiacin

electromagntica. Por consiguiente v = c/, donde c = 3108

m/s, es la velocidad de la radiacin

incidente y su longitud de onda correspondiente. Para Einstein cuando un fotn incide sobre una

superficie metlica alcalina puede transmitir energa suficiente a un electrn para que supere la

barrera de energa potencial de la superficie y se libere del metal. La energa del fotn hv debe ser

www.unicesar.edu.co


Contigo es posible


mayor o igual que la funcin de trabajo w0, la cual es la mnima energa que necesita un electrn para

poder escapar del metal, es decir hv wo. En este caso, vo = wo/h, es llamada la frecuencia umbral.

Esta frecuencia mnima es incompatible con la teora ondulatoria, pues, cualquiera que sea la

frecuencia de la radiacin siempre ha de ser posible una emisin electrnica con una iluminacin

suficientemente intensa, segn la teora clsica. De acuerdo con lo anterior:

hv = wo + 1/2 mv2

Max (1.2)

Donde 1/2 mv2

Max es la energa cintica del electrn desprendido del metal. Esta ecuacin es la

clebre ecuacin de Einstein del efecto fotoelctrico.

La Energa de los electrones emitidos aumenta linealmente con la frecuencia, pero es

independiente de la intensidad de la luz.

Para efectos experimentales se emplea una fotoclula que se compone de una placa foto emisiva

llamada ctodo y un nodo colector de carga. Cuando el ctodo se expone a una luz de frecuencia v

mayor que la frecuencia umbral v0 se produce una corriente en el circuito de la fotoclula que puede

ser anulada parcial o totalmente por un potencial de frenado V0, aplicado al nodo, tal que:

eVo = 1/2 mv2

Max (1.3)

De tal forma que cuando la corriente se hace igual a cero en el circuito de la fotocelda, la ecuacin se

transforma en la siguiente expresin:

hv = wo + eVo (1.4)

2. SITUACIN PROBLEMTICA

Determinar experimentalmente la constante de Planck h, as como estudiar la dependencia del

potencial de frenado respecto de la intensidad de la radiacin incidente.

3. COMPETENCIAS ESPECFICAS

Considerando que el desarrollo de competencias busca equilibrar el saber qu, el saber cmo hacer y el saber ser, la siguiente prctica experimental busca desarrollar en los estudiantes las siguientes competencias:

Muestra habilidad para relacionar los resultados experimentales, con los modelos tericos y concluir sobre la validez de los mismos.

Examina e interpreta el montaje realizado para el desarrollo de la prctica, al mismo tiempo que muestra habilidad en el manejo de los elementos de laboratorio.

www.unicesar.edu.co


Contigo es posible


Redacta y construye conclusiones acerca del trabajo experimental con la profundidad conceptual que el tema requiere. As como que analiza e interpreta la explicacin dada

por Einstein al Efecto Fotoelctrico.

Interpreta terica y experimentalmente la relacin encontrada entre la constante de Planck y la carga del electrn, muestra habilidad en la apropiacin de los conceptos y

exposicin de los mismos.

Demuestra disposicin para trabajar en grupo y hace importantes aportes para conseguir los objetivos propuestos, respetando las opiniones de los compaeros.

4. MATERIALES Y EQUIPOS

Equipo Pasco h/e. Voltmetro digital. Filtro de transmisin (dado en porcentajes). Filtro para el color amarillo y verde.

5. PROCESO METODOLGICO

Para el desarrollo de la actividad se sugiere seguir los siguientes pasos, aunque el estudiante es libre

de disear su propio procedimiento para el desarrollo de la prctica, para el manejo del equipo debe

seguirse estrictamente como se indica, adems de acatar todas las normas de seguridad. La Fig. 1

muestra un esquema de cmo deben conectarse al aparato h/e a los diferentes elementos.

En el equipo h/e de PASCO los fotones emitidos por una lmpara de mercurio, se pasan por una

rejilla de difraccin para separar la luz emitida por la lmpara en sus diferentes colores. Estos fotones

inciden sobre el ctodo de un tubo al vaco. Parte de la energa cintica recibida por cada electrn se

emplea para escaparse del ctodo w0, quedando ste con una energa cintica cuyo mximo es

EKmax=1/2mv2

Max. Aplicando una diferencia de potencial entre el nodo y el ctodo, se puede

determinar el potencial necesario para detener todos los electrones, y por lo tanto, se mide el mximo

de su energa cintica. En este equipo el potencial de frenado se mide directamente con un voltmetro

digital.

www.unicesar.edu.co


Contigo es posible


Fig. 1 Montaje Experimental

5.1 Parte A: Clculo de h, Vo y vo.

5.1.1 Encienda la fuente de mercurio y no la apague hasta finalizar el experimento. Espere que la lmpara se caliente durante un minuto para empezar a tomar medidas.

5.1.2 Observe los espectros que se forman e identifique el espectro de primer orden (el ms brillante). Ver figura 2.

5.1.3 Para medir el potencial de frenado Vo enfoque cada color del espectro exactamente en la ranura de la pantalla reflectiva blanca. Para conseguir esto, rote la barra de la base

de apoyo hasta lograrlo.

5.1.4 Gire el cilindro negro que est detrs de la pantalla blanca hasta que pueda ver la pantalla del fotodiodo.

5.1.5 Para los colores amarillo y verde ponga en la pantalla reflectiva el filtro correspondiente antes de tomar la medida.

5.1.6 Gire el aparato h/e sobre la barra vertical hasta lograr que el color seleccionado quede centrado sobre los agujeros del fotodiodo.

5.1.7 Ponga el cilindro en su posicin inicial. 5.1.8 Ponga en funcionamiento el aparato h/e. 5.1.9 Conecte el voltmetro digital. 5.1.10 Presione el botn de descarga y cerciorase que el voltmetro marque cero voltios.

Librelo y espere aproximadamente 30 segundos para tomar el valor del potencial de

frenado en cada color.

5.1.11 Tome cinco medidas del potencial para cada color.

www.unicesar.edu.co


Contigo es posible


Fig. 2 Espectro de emisin del mercurio

5.2 Parte B: Dependencia del potencial de frenado Vo con respecto a la intensidad luminosa. 5.2.1 Mida el potencial de frenado para el color amarillo, con cada porcentaje del filtro de

transmisin. No olvide poner antes el filtro amarillo. Tome 5 medidas en cada caso.

5.2.2 Repita el paso anterior para el color verde con su respectivo filtro.

6. ANLISIS DE RESULTADOS Y CONCLUSIONES

6.1 Con los datos obtenidos elabore las tablas necesarias.

6.2 Grafique el potencial de frenado en funcin de la frecuencia de cada color. En la siguiente tabla se muestra las correspondientes frecuencias y longitudes de ondas de los colores

mostrados en el espectro del Hg.

6.3 Encuentre la ecuacin de la grfica obtenida. Comprela con la ecuacin (1.4) determine de all la constante h de Planck.

6.4 Compare el valor obtenido para h con el valor terico y determine el error porcentual.

6.5 De su grfico determine la frecuencia umbral o de corte vo, y la funcin de trabajo de la foto celda wo. Qu significado fsico tienen vo y wo.

www.unicesar.edu.co


Contigo es posible


6.6 Para el color amarillo grafique el potencial de frenado en funcin de la intensidad luminosa, representada por el filtro de transmisin. En el mismo grfico haga lo propio para el color

verde.

6.7 Analice y responda las siguientes preguntas: 6.7.1 Analizando el grfico anterior: Depende el potencial de frenado de la intensidad

luminosa? Explique.

6.7.2 Discuta si sus resultados estn mejor sustentados por un modelo cuntico de la luz o por un modelo ondulatorio.

6.7.3 En qu consiste el efecto fotoelctrico? Explique! 6.7.4 Cules son las predicciones clsicas sobre el efecto fotoelctrico? 6.7.5 Qu es el potencial de frenado Vo? 6.7.6 A que se denomina frecuencia umbral o de corte vo? 6.7.7 Qu se entiende por funcin de trabajo w0 en el efecto fotoelctrico?

REFERENCIAS BIBLIOGRFICAS

Baird, D. C. Experimento: Una introduccin a la teora de medicin y a la experimentacin.

Fsica Re Creativa, Salvador Gil y Eduardo Rodrguez. Prentice Hall Buenos Aires. 2001.

Manual de PASCO ENOSA, mdulo de prcticas. Alonso, M. Finn, J.E., Fsica, volumen 3, Addison-Wesley Iberoamericana, Mxico, 1995. A.W. Knudsen, The photoelectric determination of h/e: A new approach to the problem,

Am. J. Phys. 51, 725 729 (1983).5. R.A. Powell, Photoelectric Effect: Back to Basics, Am. J. Phys. 46(10), 1046 (Oct.

1978).

Pginas en Internet www.fsica.net www.google.com.co http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/ http://dvf.mfc.uclv.edu.cu/Laboratorio%20Virtual/SIDEF.htm http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/elecmagnet/induccion/alterna1/alterna1.htm

el efecto fotoelÃƒÂ©ctrico

Documents