12.2 EL EFECTO FOTOELÉCTRICO ¿Cómo se explica la corriente eléctrica que aparece cuando incide luz sobre un metal? Física
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12.2 EL EFECTO FOTOELÉCTRICO
¿Cómo se explica la corriente eléctrica que aparece cuando incide luz sobre un metal?
Física
1886-87 Los experimentos de Hertz• Descubre la existencia de ondas
electromagnéticas• Muestran como el arco que se
produce dos electrodos conectados a alta tensión es mayor cuando se ilumina con luz ultravioleta que cuando se deja en la oscuridad.
A.1. A título de hipótesis tratar de dar alguna explicación del fenómeno observado por Hertz, es decir, del hecho de que se produce más fácilmente la descarga de un electrodo cuando se ilumina.
A.1. A título de hipótesis tratar de dar alguna explicación del fenómeno observado por Hertz, es decir, del hecho de que se produce más fácilmente la descarga de un electrodo cuando se ilumina.
La luz facilita la descarga al comunicar las ondas de luz energía cinética a los electrones
A.2. Partiendo de la teoría de Maxwell que concibe la luz como una onda electromagné tica que como tal onda, lleva distribuida ‑uniformemente su energía , considerar, a título de hipótesis, la ‑influencia de la frecuencia y de la intensidad luminosa sobre la emisión de electrones (la cantidad de electrones emitidos por segundo, su energías cinéticas, el tiempo que tardaran en ser emitidos...). Analizar el efecto de cambiar el metal.
A.2. Partiendo de la teoría de Maxwell que concibe la luz como una onda electromagné tica que como tal onda, lleva distribuida ‑uniformemente su energía , considerar, a título de hipótesis, la ‑influencia de la frecuencia y de la intensidad luminosa sobre la emisión de electrones (la cantidad de electrones emitidos por segundo, su energías cinéticas, el tiempo que tardaran en ser emitidos...). Analizar el efecto de cambiar el metal.
La FÍSICA CLÁSICA ESPERA: Energía cinética depende de frecuencia e intensidad Existirá un tiempo de retardo entre el choque de la luz y la
emisión del electrón (para que electrones absorban la energía del frente de onda, ya que esta se encuentra distribuida en todo el frente de onda).
Para un metal dado, el EF ocurre para cualquier frecuencia mientras la luz tenga tiempo e intensidad suficiente.
Realicemos el experimento…
¿Qué sucede al encender la lámpara?
Animación
Realicemos el experimento…
¿Qué sucede al encender la lámpara?
Animación
La emisión de electrones es prácticamente instantánea.
Realicemos el experimento…
¿Qué sucede al encender la lámpara?
Animación
¿Qué sucede al ir desplazando la luz hacia el rojo?
La emisión de electrones es prácticamente instantánea.
Realicemos el experimento…
¿Qué sucede al encender la lámpara?
Animación
¿Qué sucede al ir desplazando la luz hacia el rojo?
La emisión de electrones es prácticamente instantánea.
Solo se produce EF a partir de una determinada frecuencia, llamada frecuencia umbral.
Realicemos el experimento…
¿Qué sucede al encender la lámpara?
Animación
¿Qué sucede al ir desplazando la luz hacia el rojo?
La emisión de electrones es prácticamente instantánea.
Solo se produce EF a partir de una determinada frecuencia, llamada frecuencia umbral.
¿Qué sucede al ir desplazando la luz hacia el ultravioleta?
Realicemos el experimento…
¿Qué sucede al encender la lámpara?
Animación
¿Qué sucede al ir desplazando la luz hacia el rojo?
La emisión de electrones es prácticamente instantánea.
Solo se produce EF a partir de una determinada frecuencia, llamada frecuencia umbral.
¿Qué sucede al ir desplazando la luz hacia el ultravioleta? La energía cinética de los electrones aumenta con la frecuencia.
Realicemos el experimento…
¿Qué sucede al encender la lámpara?
Animación
¿Qué sucede al ir desplazando la luz hacia el rojo?
La emisión de electrones es prácticamente instantánea.
Solo se produce EF a partir de una determinada frecuencia, llamada frecuencia umbral.
¿Qué sucede al ir desplazando la luz hacia el ultravioleta? La energía cinética de los electrones aumenta con la frecuencia.¿Qué sucede al aumentar la intensidad de la onda?
Realicemos el experimento…
Si se aumenta la intensidad de la onda (no la frecuencia) aumenta el número de electrones pero no su energía cinética.
¿Qué sucede al encender la lámpara?
Animación
¿Qué sucede al ir desplazando la luz hacia el rojo?
La emisión de electrones es prácticamente instantánea.
Solo se produce EF a partir de una determinada frecuencia, llamada frecuencia umbral.
¿Qué sucede al ir desplazando la luz hacia el ultravioleta? La energía cinética de los electrones aumenta con la frecuencia.¿Qué sucede al aumentar la intensidad de la onda?
A.3 Analizar los resultados experimentales anteriores señalando cuáles contradicen la teoría clásica de la radiación como onda electromagnética que se distribuye uniformemente por el espa cio. Extraer conclusiones sobre la naturaleza de la luz.
FÍSICA CLÁSICA ESPERA… EXPERIMENTOS MUESTRAN…
FÍSICA CLÁSICA ESPERA…• EF ocurre para cualquier frecuencia
EXPERIMENTOS MUESTRAN…• Solo se produce EF a partir de
frecuencia umbral.
A.3 Analizar los resultados experimentales anteriores señalando cuáles contradicen la teoría clásica de la radiación como onda electromagnética que se distribuye uniformemente por el espa cio. Extraer conclusiones sobre la naturaleza de la luz.
FÍSICA CLÁSICA ESPERA…• EF ocurre para cualquier frecuencia
• Energía cinética depende de frecuencia e intensidad.
EXPERIMENTOS MUESTRAN…• Solo se produce EF a partir de
frecuencia umbral.
• Aumenta intensidad onda aumenta el número de electrones pero NO su energía cinética.
• La energía cinética de los electrones SÍ aumenta con la frecuencia.
A.3 Analizar los resultados experimentales anteriores señalando cuáles contradicen la teoría clásica de la radiación como onda electromagnética que se distribuye uniformemente por el espa cio. Extraer conclusiones sobre la naturaleza de la luz.
FÍSICA CLÁSICA ESPERA…• EF ocurre para cualquier frecuencia
• Energía cinética depende de frecuencia e intensidad.
• Tiempo de retardo entre el choque de la luz y la emisión del electrón
EXPERIMENTOS MUESTRAN…• Solo se produce EF a partir de
frecuencia umbral.
• Aumenta intensidad onda aumenta el número de electrones pero NO su energía cinética.
• La energía cinética de los electrones SÍ aumenta con la frecuencia.
• La emisión de electrones es prácticamente instantánea.
A.3 Analizar los resultados experimentales anteriores señalando cuáles contradicen la teoría clásica de la radiación como onda electromagnética que se distribuye uniformemente por el espa cio. Extraer conclusiones sobre la naturaleza de la luz.
FÍSICA CLÁSICA ESPERA…• EF ocurre para cualquier frecuencia
• Energía cinética depende de frecuencia e intensidad.
• Tiempo de retardo entre el choque de la luz y la emisión del electrón
EXPERIMENTOS MUESTRAN…• Solo se produce EF a partir de
frecuencia umbral.
• Aumenta intensidad onda aumenta el número de electrones pero NO su energía cinética.
• La energía cinética de los electrones SÍ aumenta con la frecuencia.
• La emisión de electrones es prácticamente instantánea.
A.3 Analizar los resultados experimentales anteriores señalando cuáles contradicen la teoría clásica de la radiación como onda electromagnética que se distribuye uniformemente por el espa cio. Extraer conclusiones sobre la naturaleza de la luz.
PREDICCIONES CLÁSICAS
FALLAN!!!
A.4. Sugerir alguna nueva hipótesis sobre el comportamiento de la luz, capaz de interpretar los resultados experimentales relativos al efecto fotoeléctrico. En particular se trata de explicar con dicha hipótesis:
A.4. Sugerir alguna nueva hipótesis sobre el comportamiento de la luz, capaz de interpretar los resultados experimentales relativos al efecto fotoeléctrico. En particular se trata de explicar con dicha hipótesis:
1. Por qué dicho efecto sólo se presenta para frecuencias de la luz superiores a un valor umbral, distinto para cada metal.
A.4. Sugerir alguna nueva hipótesis sobre el comportamiento de la luz, capaz de interpretar los resultados experimentales relativos al efecto fotoeléctrico. En particular se trata de explicar con dicha hipótesis:
1. Por qué dicho efecto sólo se presenta para frecuencias de la luz superiores a un valor umbral, distinto para cada metal.
2. Por qué la energía cinética de los electrones liberados es siempre la misma para una frecuencia f>f0 dada, sea cual sea la intensidad luminosa.
A.4. Sugerir alguna nueva hipótesis sobre el comportamiento de la luz, capaz de interpretar los resultados experimentales relativos al efecto fotoeléctrico. En particular se trata de explicar con dicha hipótesis:
1. Por qué dicho efecto sólo se presenta para frecuencias de la luz superiores a un valor umbral, distinto para cada metal.
2. Por qué la energía cinética de los electrones liberados es siempre la misma para una frecuencia f>f0 dada, sea cual sea la intensidad luminosa.
3. Por qué la emisión de electrones es prácticamente instantánea y su número aumenta al hacerlo la intensidad, manteniendo la frecuencia constante.
Einstein tuvo que asumir que un fenómeno típicamente ondulatorio tenía propiedades corpusculares e introdujo en 1905 la hipótesis del fotón con , siendo
Einstein tuvo que asumir que un fenómeno típicamente ondulatorio tenía propiedades corpusculares e introdujo en 1905 la hipótesis del fotón con , siendo Energía no está distribuida en todo el frente de onda, está
concentrada en un paquete (fotón). Cada fotón incidirá individualmente sobre un punto de la
superficie metálica, arrancando un electrón sólo en el caso de que su energía sea superior a la atracción de los iones positivos del metal, denominada trabajo de extracción.
Einstein tuvo que asumir que un fenómeno típicamente ondulatorio tenía propiedades corpusculares e introdujo en 1905 la hipótesis del fotón con , siendo Energía no está distribuida en todo el frente de onda, está
concentrada en un paquete (fotón). Cada fotón incidirá individualmente sobre un punto de la
superficie metálica, arrancando un electrón sólo en el caso de que su energía sea superior a la atracción de los iones positivos del metal, denominada trabajo de extracción.
EF no se presente por debajo de una frecuencia umbral. No aumente el número de electrones emitidos, aunque aumente
la intensidad luminosa Energía cinética sea independiente de la I y crez ca con la frec. Emisión de electro nes sea prácticamente instantánea.
Esto explica:
A.5. Calcular el número de fotones por segundo y m2 a una distancia de 1 m de una bombilla de 100 w, suponiendo una longitud de onda media de 550 nm.
A.5. Calcular el número de fotones por segundo y m2 a una distancia de 1 m de una bombilla de 100 w, suponiendo una longitud de onda media de 550 nm.
𝐼=𝐸𝑆 · 𝑡
¿𝑛 ·h𝜈𝑆 ·𝑡
A.5. Calcular el número de fotones por segundo y m2 a una distancia de 1 m de una bombilla de 100 w, suponiendo una longitud de onda media de 550 nm.
𝐼=𝐸𝑆 · 𝑡
¿𝑛 ·h𝜈𝑆 ·𝑡
→𝑛𝑆· 𝑡
=𝐼h𝜈
¿𝐼
h ·( 𝑐𝜆 )
A.5. Calcular el número de fotones por segundo y m2 a una distancia de 1 m de una bombilla de 100 w, suponiendo una longitud de onda media de 550 nm.
𝐼=𝐸𝑆 · 𝑡
¿𝑛 ·h𝜈𝑆 ·𝑡
→𝑛𝑆· 𝑡
=𝐼h𝜈
¿𝐼
h ·( 𝑐𝜆 )𝑛𝑆 · 𝑡
=100
6,6 ·10−34 ·( 3 ·108
550 ·10− 9 )=2,8 ·1020
A.5. Calcular el número de fotones por segundo y m2 a una distancia de 1 m de una bombilla de 100 w, suponiendo una longitud de onda media de 550 nm.
El gran número de fotones por metro cuadrado y por segundo explican la apariencia continua
𝐼=𝐸𝑆 · 𝑡
¿𝑛 ·h𝜈𝑆 ·𝑡
→𝑛𝑆· 𝑡
=𝐼h𝜈
¿𝐼
h ·( 𝑐𝜆 )𝑛𝑆 · 𝑡
=100
6,6 ·10−34 ·( 3 ·108
550 ·10− 9 )=2,8 ·1020
A.6. Siendo la frecuencia de la radia ción (superior a la fre cuencia umbral 0 necesaria para que se presente el efecto fotoeléctrico), escribir, de acuerdo con la hipótesis anterior, una ecuación que ligue la energía del fotón incidente con la energía cinética del electrón liberado.
A.6. Siendo la frecuencia de la radia ción (superior a la fre cuencia umbral 0 necesaria para que se presente el efecto fotoeléctrico), escribir, de acuerdo con la hipótesis anterior, una ecuación que ligue la energía del fotón incidente con la energía cinética del electrón liberado.
𝐸 𝑓𝑜𝑡 ó𝑛=𝑊 +𝐸𝐶
A.6. Siendo la frecuencia de la radia ción (superior a la fre cuencia umbral 0 necesaria para que se presente el efecto fotoeléctrico), escribir, de acuerdo con la hipótesis anterior, una ecuación que ligue la energía del fotón incidente con la energía cinética del electrón liberado.
h𝜈=𝑊+12𝑚𝑣2𝐸 𝑓𝑜𝑡 ó𝑛=𝑊 +𝐸𝐶
A.6. Siendo la frecuencia de la radia ción (superior a la fre cuencia umbral 0 necesaria para que se presente el efecto fotoeléctrico), escribir, de acuerdo con la hipótesis anterior, una ecuación que ligue la energía del fotón incidente con la energía cinética del electrón liberado.
h𝜈=𝑊+12𝑚𝑣2
𝜈=𝜈0→𝐸𝑐=0→h𝜈0=𝑊
𝐸 𝑓𝑜𝑡 ó𝑛=𝑊 +𝐸𝐶
A.6. Siendo la frecuencia de la radia ción (superior a la fre cuencia umbral 0 necesaria para que se presente el efecto fotoeléctrico), escribir, de acuerdo con la hipótesis anterior, una ecuación que ligue la energía del fotón incidente con la energía cinética del electrón liberado.
𝐸𝑐=h (𝜈−𝜈0)
h𝜈=𝑊+12𝑚𝑣2
𝜈=𝜈0→𝐸𝑐=0→h𝜈0=𝑊
Despejando la energía cinética de la primera expresión, y sustituyendo el valor del trabajo se obtiene
𝐸 𝑓𝑜𝑡 ó𝑛=𝑊 +𝐸𝐶
A.7. El trabajo de extracción para el sodio vale 3,65·10-19 J. Calcular la energía cinética del electrón emitido por una superficie de sodio, cuando se ilumina con una luz de longitud de onda 4,1·10-7 m y 5,5·10-7 m
¿Cómo medir la energía cinética máxima de los electrones emitidos por la placa iluminada?
¿Cómo medir la energía cinética máxima de los electrones emitidos por la placa iluminada?
Sometiéndolos a un potencial que los frene, y en ese momento:
𝐸𝑃=𝐸𝐶
Animación
¿Cómo medir la energía cinética máxima de los electrones emitidos por la placa iluminada?
Sometiéndolos a un potencial que los frene, y en ese momento:
𝐸𝑃=𝐸𝐶
𝑉 𝑓 ·𝑞=𝐸𝐶
Siendo Vf el potencial de frenado
Animación
A.8 Utilizar la siguiente simulación para obtener la gráfica del efecto fotoeléctrico variando la intensidad y longitud de onda de la luz, la diferencia de potencial y el trabajo de extracción
http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/cuantica/fotoelectrico/fotoelectrico.htm
A.8 Utilizar la siguiente simulación para obtener la gráfica del efecto fotoeléctrico variando la intensidad y longitud de onda de la luz, la diferencia de potencial y el trabajo de extracción
http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/cuantica/fotoelectrico/fotoelectrico.htm
1. Entra en la página y lee todo el texto hasta llegar al apartado Actividades.
2. Sigue las instrucciones que aparecen en el apartado para tomar parejas de valores (longitud de onda, potencial de frenado) para un cátodo formado por el metal Cesio.
3. Una vez tomados alrededor de cinco valores pincha en el botón calcular y obtén la representación gráfica de los datos.
4. Calcula la constante de Planck y el trabajo de extracción.5. Rellena en tu libreta una tabla y copia la gráfica tal y como
aparece en el apartado Resultados.
A.9 Indicar aplicaciones del efecto fotoeléctrico
¿Cómo podemos resumir el apartado?
¿Cómo podemos resumir el apartado?
La luz también manifiesta un comportamiento corpuscular
¿Cómo podemos resumir el apartado?
La luz también manifiesta un comportamiento corpuscular
¿Entonces no es una onda?
¿Cómo podemos resumir el apartado?
La luz también manifiesta un comportamiento corpuscular
¿Entonces no es una onda?
También es una onda
¿Cómo podemos resumir el apartado?
La luz también manifiesta un comportamiento corpuscular
¿Entonces no es una onda?
También es una onda
¿Entonces que pasa?
¿Cómo podemos resumir el apartado?
La luz también manifiesta un comportamiento corpuscular
¿Entonces no es una onda?
También es una onda
¿Entonces que pasa?
Lo veremos en próximos capítulos…
Otro caso en el que el fotón se manifiesta como una partícula: El Efecto Compton
Fotón con energía E y cantidad de movimiento p, al encuentro de un electrón en reposo
Otro caso en el que el fotón se manifiesta como una partícula: El Efecto Compton
Fotón cede parte de su energía y pasa a tener menos energía y por tanto menor frecuencia
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