UNIVERSIDAD POLITECNICA SALESIANA

Física Moderna

Nombre: Ricardo Zapata

Efecto Fotoeléctrico

La emisión 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 acción de la radiación se denomina efecto fotoeléctrico o emisión fotoeléctrica. Sus características esenciales son:

Para cada sustancia hay una frecuencia mínima o umbral de la radiación electromagnética por debajo de la cual no se producen fotoelectrones por más intensa que sea la radiación.

La emisión electrónica aumenta cuando se incrementa la intensidad de la radiación que incide sobre la superficie del metal, ya que hay más energía disponible para liberar electrones.

En los metales hay electrones que se mueven más o menos libremente a través de la red cristalina, estos electrones no escapan del metal a temperaturas normales porque no tienen energía suficiente. Calentando el metal es una manera de aumentar su energía. Los electrones "evaporados" se denominan termoelectrones, este es el tipo de emisión que hay en las válvulas electrónicas. Vamos a ver que también se pueden liberar electrones (fotoelectrones) mediante la absorción por el metal de la energía de radiación electromagnética.

El objetivo de la práctica simulada es la determinación de la energía de arranque de los electrones de un metal, y el valor de la constante de Planck. Para ello, disponemos de un conjunto de lámparas que emiten luz de distintas frecuencias y placas de distintos metales que van a ser iluminadas por la luz emitida por esas lámparas especiales.

Descripción

Sea f la energía mínima necesaria para que un electrón escape del metal. Si el electrón absorbe una energía E, la diferencia E-f, será la energía cinética del electrón emitido.

Einstein explicó las características del efecto fotoeléctrico, suponiendo que cada electrón absorbía un cuanto de radiación o fotón. La energía de un fotón se obtiene multiplicando la constante h de Planck por la frecuencia f de la radiación electromagnética.

E=hf

Si la energía del fotón E, es menor que la energía de arranque f, no hay emisión fotoeléctrica. En caso contrario, si hay emisión y el electrón sale del metal con una energía cinética Ek igual a E-f.

Por otra parte, cuando la placa de área S se ilumina con cierta intensidad I, absorbe una energía en la unidad de tiempo proporcional a IS, basta dividir dicha energía entre la cantidad hf para obtener el número de fotones que inciden sobre la placa en la unidad de tiempo. Como cada electrón emitido toma la energía de un único fotón, concluimos que el número de electrones emitidos en la unidad de tiempo es proporcional a la intensidad de la luz que ilumina la placa

Mediante una fuente de potencial variable, tal como se ve en la figura podemos medir la energía cinética máxima de los electrones emitidos, véase el movimiento de partículas cargadas en un campo eléctrico.

Aplicando una diferencia de potencial V entre las placas A y C se frena el movimiento de los fotoelectrones emitidos. Para un voltaje V0 determinado, el amperímetro no marca el paso de corriente, lo que significa que ni aún los electrones más rápidos llegan a la placa C. En ese momento, la energía potencial de los electrones se hace igual a la energía cinética.

Variando la frecuencia f, (o la longitud de onda de la radiación que ilumina la placa) obtenemos un conjunto de valores del potencial de detención V0. Llevados a un gráfico obtenemos una serie de puntos (potencial de detención, frecuencia) que se aproximan a una línea recta.

La ordenada en el origen mide la energía de arranque en electrón-voltios f/e. Y la pendiente de la recta es h/e. Midiendo el ángulo de dicha pendiente y usando el valor de la carga del electrón e= 1.6 10-19 C, obtendremos el valor de la constante de Planck, h=6.63 10-34 Js.

EXPLICACIÓN Y FÓRMULAS DEL FENÓMENO FÍSICO DEL EFECTO FOTOELÉCTRICO

Este efecto, se trata de otro fenómeno que, al igual que la radiación de cuerpo negro, también

involucra la interacción entre la radiación y la materia. Pero esta vez se trata de absorción de

radiación de metales

Heinrich Hertz (1857-1894), científico alemán, fue el primero en observar el efecto fotoeléctrico, en 1887, mientras trabajaba en la generación de ondas de radio. Informó esta observación pero no se dedicó a explicarla

Al incidir luz ultravioleta sobre el cátodo metálico (fotocátodo) se detecta el paso de una corriente eléctrica. Se trata de electrones que abandonan el cátodo (colector) y se dirigen al ánodo a través del vacío dentro del tubo. Los electrodos se hallan conectados a una diferencia de potencial de sólo unos pocos voltios.

La teoría electromagnética clásica considera que la radiación de mayor intensidad (o brillo, si es visible), que corresponde a ondas de mayor amplitud, transporta mayor energía. Esta energía se halla distribuida uniformemente a lo largo del frente de onda. La intensidad es igual a la energía que incide, cada unidad de tiempo, en una unidad de superficie.

Con radiación ultravioleta de diferentes intensidades, los electrones salen del metal con la misma velocidad. La radiación más intensa arranca mayor número de electrones. Esta observación también resultaba inexplicable.

Con luz ultravioleta, aun de baja intensidad, los electrones son

arrancados prácticamente en forma instantánea, aunque la Física

clásica predecía un tiempo de retardo hasta que los átomos

absorbieran la energía necesaria para expulsar el electrón. Con

luz visible este fenómeno no se observa, aunque se aumente la

intensidad de la luz y se ilumine durante mucho tiempo, como

para que el átomo absorba bastante energía. Esta observación

resultaba inexplicable.

EXPLICACION FISICA DEL FENOMENO

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= v . h , 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 matematica es: Ecinética = h . v - Eextracción

donde Eextracción es 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.