BENEMÉRITA UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE PUEBLA

FACULTAD DE CIENCIAS FISICO MATEMÁTICAS

FISICA MODERNA CON LABORATORIO

INTEGRANTES DEL EQUIPO

Arias cruz José ÁngelCalvario Coyotl Javier

Cruz Ojeda Néstor EduardoEspindola Ramos Ernesto

Rosas Flores IsaacSánchez Vélez Ricardo Santamaría Juárez Efrén

Vargas Hernández Laura Gabriela

PRACTICA N: Efecto fotoeléctrico.

ENERO DE 2012

Efecto fotoeléctrico.

Resumen.

El presente trabajo trata de comprobar las características del efecto fotoeléctrico y a partir de ellas determinar el valor de la constante de Planck.

Introducción.

Planck había llegado a la conclusión de que el traspaso de energía entre la materia y la

radiación en el cuerpo negro ocurría a través de paquetes de energía. Sin embargo, no quiso

admitir que la energía radiante una vez desprendida de la materia también viajaba en forma

corpuscular. Es decir que siguió considerando a la radiación que se propaga como una onda

clásica.

En 1905, Albert Einstein fue un paso más allá al explicar completamente 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: E= Vh, 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.

Si esta energía es suficiente para romper la ligadura del electrón con el metal, entonces el

electrón se desprende. Si el fotón transporta más energía de la necesaria, este exceso se

transforma en energía cinética del electrón:

Expresado en fórmula matemática esE cinético= hv – E Extracción

DondeE Extracciónes 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

la suficiente 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 transporta cada uno.

3.- Según la teoría clásica, habría un tiempo de retardo entre la llegada de la radiación y la

emisión del primer electrón. Ya que la energía se distribuye uniformemente sobre el frente

de la onda incidente, ésta tardaría al menos algunos cientos de segundos en transferir la

energía necesaria. La teoría de Einstein, en cambio, predice que:

Una radiación de frecuencia adecuada, aunque de intensidad sumamente baja, produce

emisión 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 que

concordaba perfectamente con el valor hallado por Planck a partir del espectro de radiación

de cuerpo negro.

Desde ese momento los físicos aceptaron que, si bien la luz se propaga como si fuera una

onda, al interactuar con la materia (en los procesos de absorción y emisión) se comporta

como un haz de partículas. Esta sorprendente conducta es lo que se ha llamado la naturaleza

dual de la luz. Esto muestra que las ideas surgidas del mundo macroscópico no son

aplicables al inimaginable mundo de lo diminuto.

Descripción de Instrumentos.

Los instrumentos utilizados para la práctica son:

Aparato h/e. Una lámpara de vapor de mercurio Un filtro verde Un filtro amarillo Un filtro de transmisión variable Un voltímetro Dos fuentes de voltaje Una rejilla de difracción

Procedimiento Experimental.

A la lámpara de mercurio se le coloca una rendija para que permita el paso de una cierta

cantidad de luz, en seguida una rejilla de difracción de 600 líneas por pulgada. Se enciende

la lámpara y se deja calentar por unos 5 minutos.

El aparato h/e requiere de dos baterías de 9V, para esto se utiliza una fuente de poder dual a

±9 V, es recomendable verificar el voltaje a la salida antes de usarlo.

Se monta el aparato h/e en su base.

Se conecte el voltímetro en las terminales de salida del aparato h/e. Seleccionando el rango

2V o 20V en el medidor.

Se utilizan los filtros verde y amarillo cuando se esté en las líneas espectrales verde y

amarillo. Estos filtros limitan las frecuencias (mayores) de la luz que entra al aparato h/e.

Se ajusta el aparato h/e de manera que solo uno de los colores espectrales caiga sobre la

abertura de la carátula del fotodiodo. Si se selecciona la línea espectral verde o amarilla se

coloca el correspondiente filtro de color sobre la carátula de reflexión blanca en el aparato

h/e.

También se usa el filtro de transmisión variable que consiste de patrones de puntos y líneas

que varían la intensidad (no la frecuencia) de la luz incidente. Los porcentajes relativos de

transmisión son 100 %, 80 %, 60 %, 40% y 20 %. Se coloca este filtro en frente de la

carátula blanca de reflexión (y sobre el filtro de color, si está utilizando uno) de manera que

la luz pase a través de la sección marcada con 100% y alcance el fotodiodo. Se registre la

lectura del voltaje, Esta es una medición directa del potencial de frenado para los

fotoelectrones.

Luego se presiona el botón del instrumento de descarga, se suelta y se observe

aproximadamente que tiempo requiere para volver a registrar el mismo voltaje.

Se vuelve a repetir los pasos 5-7 para cada porcentaje del filtro de transmisión variable.

Se repiten los pasos para cada color del espectro de la lámpara de mercurio.

Figuras1: Arreglo experimental.

Resultados.

Grafica1: Voltaje de frenado (V) VS frecuencia (×1014)

Color: Amarillo

% De Transmisión

Potencial de Frenado (volts)

Tiempo de Carga (seg)

100 0.647 6.8580 0.649 7.0760 0.646 15.340 0.64 16.320 0.63 21.96

Tabla1. Datos Color Amarillo (% Transmisión, potencial, tiempo).

Color Verde

% De Transmisión

Potencial De Frenado (volts)

Tiempo de Carga (seg)

100 0.775 1280 0.776 13.9660 0.775 17.9640 0.768 28.720 0.754 32

Tabla2. Datos Color Verde (% Transmisión, potencial, tiempo).

Discusión de los resultados.

Graficando el potencial de frenado contra la frecuencia que se adquirió en la lámpara de mercurio, se tiene la relación h/e siendo ésta la pendiente de la gráfica, despejando h se encuentra la constante de Planck. Se adquirieron gráficas para cada porcentaje de transmisión:

Se usó programa logger pro para graficar los datos. Se hizo un ajuste lineal, donde el valor de la pendiente fue de 4.2 07Js/C, pero éste valor debe ser divido por 1014 ya que en el momento de meter las frecuencias al programa se hizo sin multiplicar por 1014. Entonces se tiene que:

he=0. 4207

1014 Js /C

Despejando a h, y en donde e=1.602176×10-19C, se tiene que:

h=(0.42 07 ×10−14 ) (1.60217 × 10−19 ) Js=6 . 74032× 10−34 Js

Conclusiones.

Con esta práctica se aprendió lo que es el concepto del efecto fotoeléctrico que es base para este análisis.

De acuerdo a los resultados con un mayor número de longitudes de onda, sería más preciso el valor de la constante de Planck. En promedio de las mediciones se tuvo que la constante de Planck experimental fue de 6.74032×10-34Js, con un error de 0.4%, ya que es el valor más aproximando al esperado que era de 6.62606×10-34Js. Un resultado bastante bueno, siendo esta constante una de las principales en la física.

Referencias.

1. Modern Physics, Kenneth Krane