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TECNOLGICO DE ESTUDIOS SUPERIORES DE ECATEPEC

DIVISIN DE INGENIERA ELECTRNICA Y TELEMTICA

EFECTO FOTOELCTRICO

ASIGNATURA: QUMICA

INTEGRANTES: Rodrguez Navarrete Ismael Guzmn Romero Ricardo Michael

Daza Paniagua Brandon Alejandro Cristian Ivn Vzquez Reina

Ecatepec, Edo de Mxico a 06 de noviembre de 2012

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MARCO TEORICO

En este apartado de preguntas que han sido propuestas, tratan de cmo afecta el efecto fotoelctrico a los cuerpos y como es el comportamiento de los fotones.

Explica el comportamiento, teniendo en cuanta las caractersticas que adquiere un cuerpo que ha sido irradiado con la luz electromagntica y como esta se presenta en forma de ondas ondulatorias y corpusculares

En estas preguntas se asieron con la finalidad de entender y asimilar el comportamiento de este efecto y sus reacciones, as como tambin poderlo calcular y hasta poderlo utilizar a nuestras necesidades

Ms que nada esto se iz con la finalidad de aprender ms sobre este fenmeno que est presente en la vida diaria.

La forma de elaboracin de dicho cuestionario consta de 4 preguntas, que tratan del efecto fotoelctrico y estas fueron investigadas y resumidas mediante distintas pginas que se pueden consultar en el internet, se busc informacin que coincidiera en otras ms pginas de distintos autores para poder deducir que la informacin presentada en nuestro trabajo tenga un porcentaje alto de veracidad

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OBJETIVOS

En base a la contestacin de estas preguntas propuestas por nuestra maestra llegamos a la conclusin del aprendizaje que obtendremos al ir finalizando esta prctica: y esta informacin que hemos ido obteniendo es comprender un poco ms sobre el efecto de la luz, que la luz tambin emite una gran carga de fotones que al llegar a un cuerpo, este se carga de estos y llegan en forma de paquetes ondulatoriamente y corpuscular

Y la importancia que tuvo el gran cientfico Einstein al hacer grandes aportaciones a la ciencia del efecto fotoelctrico

Tambin comprender un poco ms sobre la radiacin de cuerpo negro

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DESARROLLO

Teniendo en cuenta los apuntes que hemos ido obteniendo y la informacin recopilada a travs de la red, primero se leyeron bien las preguntas a fin de comprenderlas lo mejor que se puede y en base a eso fuimos investigando de tal forma que coincidiera la informacin que llevan nuestros apuntes con la que investigamos para poderla poco a poco irla complementando y as evitar que la informacin antes investigada fuese falsa

El desarrollo fue retomado de algunos autores para completar nuestra investigacin de estas preguntas

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CUESTIONARIO

1.- REALICE EL SIGIETE CUESTIONARIO

Explique el significado del efecto fotoelctrico

El efecto fotoelctrico consiste en la emisin de electrones por un metal o fibra de carbono cuando se hace incidir sobre l una radiacin electromagntica (luz visible o ultravioleta, en general). A veces se incluyen en el trmino otros tipos de interaccin entre la luz y la materia:

Fotoconductividad: es el aumento de la conductividad elctrica de la materia o en diodos provocada por la luz. Descubierta por Willoughby Smith en el selenio hacia la mitad del siglo XIX.

Efecto fotovoltaico: transformacin parcial de la energa luminosa en energa elctrica. La primera clula solar fue fabricada por Charles Fritts en 1884. Estaba formada por selenio recubierto de una fina capa de oro.

Qu son los fotones?

En fsica moderna, el fotn (en griego , [luz], y -n) es la partcula elemental responsable de las manifestaciones cunticas del fenmeno electromagntico. Es la partcula portadora de todas las formas de radiacin electromagntica, incluyendo los rayos gamma, los rayos X, la luz ultravioleta, la luz visible (espectro electromagntico), la luz infrarroja, las microondas y las ondas de radio. Son paquetes de luz, segn esto la luz se comporta como ondas de luz y a la vez como materia; cuando hablamos de fotones, decimos que son pequeos paquetes de luz, los cuales tienen masa, es por eso que la luz se puede desviar al tener un campo muy grande como un planeta El fotn tiene una masa invariante cero, Nota y viaja en el vaco con una velocidad constante . Como todos los cuantos, el fotn presenta tanto propiedades corpusculares como ondulatorias ("dualidad onda-corpsculo"). Se comporta como una onda en fenmenos como la refraccin que tiene lugar en una lente, o en la cancelacin por interferencia destructiva de ondas reflejadas; sin embargo, se comporta como una partcula cuando interacciona con la materia para transferir una cantidad fija de energa, que viene dada por la expresin.

El fotn tiene una masa invariante cero, y viaja en el vaco con una velocidad constante c.

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Que viene dada por la expresin

Donde h es la constante de Planck, c es la velocidad de la luz, y es la longitud de onda. Esto difiere de lo que ocurre con las ondas clsicas, que pueden ganar o perder cantidades arbitrarias de energa.

Qu impacto tuvo la explicacin de Einstein del efecto fotoelctrico en el desarrollo de la interpretacin de la naturaleza ondulatoria y corpuscular de la radiacin electromagntica?

La hiptesis atmica

El artculo sobre el efecto fotoelctrico fue enviado por Einstein a la revista Annalen der Physik el 17 de marzo, recibido al siguiente da y publicado el 9 de junio de 1905. Ms tarde, por esta importante contribucin, Einstein sera galardonado con el Premio Nobel de Fsica de 1921.

Para descubrir esas pequeas partculas que nadie haba visto, Einstein se bas en el amplio conocimiento acumulado previo. Los aos anteriores haban sido intensos: J.J. Thompson en el Laboratorio Cavendish de la Universidad de Cambridge, Inglaterra, haba realizado experimentos para investigar el interior del tomo.

Al tiempo de Einstein, los descubrimientos eran enormes. 2 mil aos despus de las primeras propuestas de los atomistas griegos representados, entre otros, por Demcrito y Epicuro la hiptesis atmica sobreviva y era confirmada.

Hoy, la hiptesis atmica sigue siendo vlida pero basada en nuevos conceptos. Por ejemplo, hoy se sabe que, el tomo es divisible e incluso tiene estructura y dinmica internas. La palabra tomo que significa indivisible es incorrecta pero, la idea esencial de un mundo construido por entidades esenciales, hoy conocidas como partculas elementales, sigue vigente.

La ms fundamental de todas las partculas es el electrn. Einstein, desde su primer artculo cientfico, estaba convencido de la existencia y validez de leyes universales.

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La teora cuntica

Con la llegada del siglo XX, en 1900, Planck a partir de la teora electromagntica de Maxwell y Lorentz haba realizado experimentos para explicar la peculiaridad del espectro de radiacin del llamado cuerpo negro y tratado, sin xito, de obtener una expresin matemtica para la distribucin observada de la distribucin de energa emitida con diferentes longitudes de onda.

Para resolver el problema, Planck sugiri que la energa de la radiacin no es continua, como se esperara de las ondas, sino que est cuantizada, es discontinua, formada por cantidades discretas o cuantos de energa. De esta manera, Planck descubri la estructura cuntica de la radiacin electromagntica.

La comprensin terica de resultados previos fue realizada por Einstein, precisamente con la propuesta del efecto fotoelctrico. Einstein aplic a la electrodinmica la formulacin termodinmica de L. Boltzmann, quien haba sugerido que las leyes de la termodinmica podran derivarse de la aplicacin de la mecnica estadstica al movimiento de los tomos.

La aproximacin de Boltzman implicaba la discontinuidad de la materia. Eso llev a Einstein al descubrimiento del fotn y de sus propiedades fundamentales.

El efecto fotoelctrico

En sntesis, este efecto fotoelctrico consiste en la expulsin (o descarga) de electrones cuando una placa de metal, cargada con electricidad esttica, es irradiada con luz. La teora ondulatoria no explica satisfactoriamente este fenmeno porque la energa de una onda (continua) se extiende sobre la superficie del metal. Los cuantos de luz, sin embargo, actan como partculas que interaccionan con los electrones del metal, los cuales absorben al cuanto de luz y, luego, son expulsados del metal.

Varios experimentos, con diferentes materiales, se han realizado para comprobar el efecto fotoelctrico. De acuerdo a la teora de Einstein, la luz est formada de partculas y la energa de cada partcula es proporcional a la frecuencia de la luz. La constante de proporcionalidad es la llamada constante de Planck. Esta es una constante de la naturaleza y es muy pequea pero de gran significado. Es tan pequea que las propiedades cuantizadas de la luz no las podemos ver pero nos ayudan a explicarnos muchos fenmenos de la naturaleza.

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Para remover al electrn, de la superficie de una placa de metal u otro material slido, se necesita una cierta cantidad mnima de energa la cual depende del material. Si la energa de un fotn es mayor que ste valor mnimo, el electrn es emitido de la superficie del metal. Es decir, el electrn es expulsado transportando una cierta cantidad de energa cintica debida a su propio movimiento.

Estas y otras ideas de Einstein revolucionaron al conocimiento moderno de la humanidad. Con el concepto de la naturaleza dual de la luz, que se comporta como onda y como partcula, Einstein puso slidas bases para el desarrollo de la fsica cuntica.

Hoy se sabe que el tomo exhibe una estructura cuntica, el electrn tambin tiene propiedades cunticas. La teora cuntica significa el entendimiento del tomo y permite una explicacin de la estructura de la materia. El electrn es la primera de todas las dems partculas elementales y es de naturaleza cuntica dual (onda-partcula). El efecto fotoelctrico, a su vez, es la base de varias tecnologas modernas.

Cul es la aportacin ms importante que la radiacin del cuerpo negro hizo a la fsica?

Un cuerpo negro es un sistema ideal capaz de absorber toda la radiacin que incide sobre l. Planck plante una ecuacin simple que describa la distribucin de la irradiacin de las variadas frecuencias, basado en una suposicin: la energa no es divisible infinitamente; como la materia, est formada de partculas, a las que llam quantum.

El tamao de cada quantum, para cada radiacin electromagntica, es directamente proporcional a su frecuencia: constante de Planck, que se representa con la h.

Los cientficos saban que el color de la luz que emite un cuerpo la gama de sus longitudes de onda est relacionado con el material del que est hecho el objeto y con su temperatura.

La mayora de los cientficos crean que la clave de este problema se hallaba en comprender la interaccin entre radiacin electromagntica y materia.

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Cuestionario practica 3

1. explica en que consiste el efecto fotoelctrico. De qu factores depende la fotoemisin de electrones del metal?

En los metales hay electrones que se mueven ms o menos libremente a travs de la red cristalina, estos electrones no escapan del metal a temperaturas normales porque no tienen energa suficiente. Calentando el metal es una manera de aumentar su energa. Los electrones "evaporados" se denominan termo electrones, este es el tipo de emisin que hay en las vlvulas electrnicas. Vamos a ver que tambin se pueden liberar electrones (fotoelectrones) mediante la absorcin por el metal de la energa de radiacin electromagntica.

La emisin de electrones por metales iluminados con luz de determinada frecuencia fue observada a finales del siglo xix por Hertz y hallwachs. El proceso por el cual se liberan electrones de un material por la accin de la radiacin se denomina efecto fotoelctrico o emisin fotoelctrica. Sus caractersticas esenciales son:

para cada sustancia hay una frecuencia mnima o umbral de la radiacin electromagntica por debajo de la cual no se producen fotoelectrones por ms intensa que sea la radiacin.

la emisin electrnica aumenta cuando se incrementa la intensidad de la radiacin que incide sobre la superficie del metal, ya que hay ms energa disponible para liberar electrones.

2. cuando se ilumina un metal con luz azul, no se produce el efecto fotoelctrico. Emitir electrones el metal cuando se ilumine con luz roja? La frecuencia de luz azul es mayor que la frecuencia de la luz roja; por consiguiente la energa de un fotn de luz azul es mayor que la de un fotn de luz roja. Por tanto si con luz azul no se produce el efecto fotoelctrico, tampoco se producir con luz roja?

En dicho efecto, cuando la superficie de un metal se ilumina con luz de una determinada frecuencia, pueden o no, salir electrones de la misma. Este efecto, interpretado por Einstein, supone una constatacin de la hiptesis de Planck establecida como una interpretacin de la radiacin del cuerpo negro. Proponemos el siguiente problema:

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la mxima longitud de onda con la que se produce el efecto fotoelctrico en un metal es de 710 nm. Hallar:

a) el trabajo de extraccin de ese metal. b) la energa cintica mxima de los electrones emitidos cuando se ilumina con

luz de 500 nm. As como el potencial de frenado necesario para anular la fotocorriente.

c) si se ilumina el metal anterior con una luz de 580 nm cul ser el nuevo potencial de frenado?

d) qu tipo de grfica se obtendr si representamos los valores de energa cintica mxima con la que salen los fotoelectrones del metal frente a la frecuencia de la luz con la que se ilumina? explcalo.

Datos: h = 663 . 10-34 j.s ; c = 3 . 108 m/s. ; qe = 16 . 10-19 c.

Teniendo en cuenta la hiptesis cuntica segn la cual la luz est constituida por cuantos de energa cuyo valor es h , cuanto mayor sea la frecuencia mnima necesaria para extraer los electrones mayores sea el trabajo de extraccin. Los electrones en el interior del metal, se encuentran en un pozo de energa que puede ser ms o menos profundo segn el metal y, para cada metal debe haber una frecuencia mnima que nos permita sacarlos del pozo (es decir, sacarlos del metal) con una energa cintica igual a cero

Teniendo en cuenta, la ecuacin de Einstein, en la que, la energa del fotn se utiliza en sacar al electrn del pozo (trabajo de extraccin) y en energa cintica del electrn extrado, tenemos:

h = wo + ec max

Como, en nuestro caso, la energa cintica mxima de los fotoelectrones debe ser cero, la longitud de onda indicada corresponder a la frecuencia mnima (mxima longitud de onda) para que se produzca el efecto.

ho = wo

wo = h o = 663 . 10-34 . 42. 1014 = 2785 . 10-19 julios

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Como hemos visto, el trabajo de extraccin del metal utilizado resulta ser de 174 EV

b) cuando el mismo metal se ilumina con luz de longitud de onda 500 nm (color azul), la frecuencia ser de:

Que, como vemos es mayor que la anterior. Ahora los paquetes de energa de los fotones sern mayores y, los electrones, al absorberlos, podrn salir del metal y, adems estar dotados de energa cintica. Para calcular la energa cintica mxima de los fotoelectrones podemos utilizar de nuevo la ecuacin de Einstein:

h = wo + ec max de donde

ec max = h - wo =663 . 10-34 . 6 .1014 2785 . 10-19 = 1195 . 10-19 j = 074 ev

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Para averiguar el potencial de frenado necesario para anular la fotocorriente, tendremos que cambiar la polaridad de los electrodos de la clula fotoelctrica, hasta conseguir que, los fotoelectrones ms veloces sean frenados y no lleguen a l electrodo opuesto. Cuando, al ir variando la D.D.P. entre los electrodos vemos que, para un determinado valor de d.d.p. la fotocorriente es cero, esto significa que, el campo elctrico existente entre ellos ha sido capaz de frenarlos durante su recorrido de manera no llegan al electrodo correspondiente. Podremos pues escribir:

ec max = vo . qe

Es decir, la energa cintica de los fotoelectrones se va convirtiendo en energa potencial elctrica (o, lo que es lo mismo en trabajo realizado contra las fuerzas del campo elctrico).

en nuestro caso concreto:

1195 . 10-19 = vo . 16 .10-19 luego vo = 074 v

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c) en el caso concreto propuesto, al iluminarse el metal con una luz de 580 nm (mayor longitud de onda que en el caso anterior) y correspondiente a un color amarillo-verdoso, la frecuencia ser menor y, por tanto el paquete de energa de los fotones ser menor (recordemos que e = h.). Si los paquetes de energa de la luz, son menores y, el trabajo de extraccin de los electrones del metal contina siendo el mismo, la energa cintica con la que saldrn del metal ser menor que en el caso anterior. Tambin ser menor la D.D.P. entre los electrodos capaz de anular la fotocorriente.

Recordando que, la energa del fotn se utiliza en trabajo de extraccin y el resto es energa cintica, tendremos.

h = wo + ec max

663. 10-34. 517.1014 = 2785 . 10-19 + ec max

De donde la energa cintica mxima con la que sales los fotoelectrones ser de

ec max = 643 . 10-20 j, y el potencial de frenado de los mismos ser:

ec max = v . qe

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e) la energa cintica mxima con la que saldrn los electrones del metal, ir aumentando a medida que vaya aumentando la frecuencia de la radiacin luminosa. Esto es lgico, pues la energa del fotn o del cuanto va aumentando con la frecuencia y, el trabajo de extraccin del metal contina siendo el mismo. teniendo en cuenta la ecuacin de Einstein, la dependencia de la energa cintica mxima con la que salen los fotoelectrones, y la frecuencia de la radiacin es lineal , siendo la pendiente de esta recta la constante de Planck h y la ordenada en el origen el trabajo de extraccin del metal cambiado de signo - wo.

h = wo + ec max luego ec max= h - wo

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CONCLUCIONES

Y en conclusin llegamos que la luz tambin es una fuente de energa que irradia fotones, y que todo lo que irradia energa de cualquier tipo se produce el efecto fotoelctrico en ella o emite paquetes de fotones que naturalmente se presentan en formas ondulatorias y corpusculares.

Y que Albert Einstein fue el que descubri este fenmeno

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REFERENCIAS

- Que es un fotn. Revisado el 05 de noviembre de 2012

http://es.wikipedia.org/wiki/Fot%C3%B3n

- Que es un fotn y que funcin tiene. Revisado el 05 de noviembre de 2012

http://mx.answers.yahoo.com/question/index?qid=20090202134621AA6VGSu

- Qu es un fotn y para que funciona?. Revisado el 05 de noviembre de 2012

http://www.nodo50.org/ciencia_popular/articulos/Einstein5.htm

- Teora cuntica. Revisado el 06 de noviembre de 2012

http://www.gobiernodecanarias.org/educacion/3/usrn/lentiscal/2-CD-Fiisca-TIC/2-8Cuantica/Cuantica-TeoriaWeb/FisiCuanti.htm

- Efecto fotoelctrico. Revisado el 06 de noviembre de 2012

http://es.wikipedia.org/wiki/Efecto_fotoel%C3%A9ctrico

- Radiacin del cuerpo negro. Revisado el 06 de noviembre de 2012

http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/cuantica/negro/radiacion/radiacion.htm

- Radiacin del cuerpo negro. Revisado el 06 de noviembre de 2012

http://docs.kde.org/stable/es/kdeedu/kstars/ai-blackbody.html