Introducción:
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.
Hoy en día los científicos ven a la luz con una naturaleza dual. En algunos experimentos la luz se comporta como partículas y en otros presenta propiedades ondulatorias.
La teoría ondulatoria electromagnética clásica explica de forma apropiada de la propagación de la luz y de los efectos de interferencia.
De acuerdo con el concepto de que la luz que incide, es tomada como cuantos de energía de magnitud igual al producto de la constante de Planck h por la frecuencia de la luz.
Los electrones están ligados a los átomos en el metal.
Teoría :
(Gp:) Figura 1.
Grafico del estudio Fotoeléctrico
El efecto fotoeléctrico es la emisión de electrones
desde una placa de metal expuesta a ciertas
frecuencias de luz.
De la figura 1
El experimento se halla en un tubo al vacío.
Se establece una diferencia en potencial a través de los electrodos por medio de una fuente de voltaje (se puede variar la diferencia de potencial).
Se utiliza un amperímetro para detectar y medir la cantidad de corriente en el circuito.
En ausencia de la luz, la corriente no fluye en el circuito.
Cuando la luz de cierta frecuencia incide en la placa A, la corriente fluye en el circuito.
La luz arranca electrones de la placa A. Estos electrones viajan hacia la placa negativa completando el circuito.
Los electrones arrancados de la placa de metal se llaman fotoelectrones y son iguales que otros electrones.
Sea f la mínima energía para que un electrón sea desprendido del metal, y si f > f (propiedad del material: Función trabajo), éstos electrones saldrán despedidos con una energía cinética:
K=f – f
Y los electrones con mayor energía cinética serán los que están ligados al material con una energía f0:
Kmax = f – f0
El trabajo (Energía Umbral) para la extracción del electrón del metal sería igual a:
f = h. fmin
Donde fmin es la frecuencia umbral mínima para poder extraer un electrón; que es característica de cada metal.
Ahora si se varia el voltaje (V) y se registra la fotocorriente (i) para diferentes intensidades (I) y frecuencias f de la radiación incidente y diferentes materiales M. Se observa que a mayor V aplicado mayor i. Si V se hace negativo existe un V0 tal que para un V menor no se produce fotocorriente (Contravoltaje)
(Gp:) Figura 2
Observaciones Experimentales:
1-Dependiendo del material de la placa M, existe
una frecuencia mínima f, para que exista
FOTOCORRIENTE.
Nota: Para frecuencias menores a la FRECUENCIA
UMBRAL no se presenta fotocorriente.
(Gp:) i
(Gp:) Figura 3
Para frecuencias mayores a la frecuencia umbral:
Para frecuencias menores a la frecuencia umbral:
(Gp:) Figura 4.1
(Gp:) Figura 4.2
2-Al aumentar V se produce CORRIENTE de SATURACION.
3- La fotocorriente es proporcional a la Intensidad incidente.
4- El contravoltaje depende de la frecuencia de la radiación incidente.
Para estimar el contravoltaje: primero se establece
una diferencia en potencial a través del tubo, esto
significa que el voltaje tiende a evitar que los
electrones escapen de la placa A. La diferencia en
potencial opuesta, se incrementa hasta que ningún
electrón tenga suficiente energía para viajar a través
del tubo. Esta diferencia de potencial se llama
trabajo (W) de frenado y debe de ser capaz de parar
electrones con energía cinética máxima. El trabajo
hecho debe ser igual a la energía cinética máxima de
estos electrones.
Contravoltaje:
5- Energía cinética máxima depende de la frecuencia de la radiación incidente. (Experimento de Milikan)
Donde el corte en X es la frecuencia umbral y
V0 es la energía cinética máxima.
(Gp:) Figura 6
Conclusiones:
La relación que existe entre el trabajo (función trabajo) que se hace para liberar los electrones de la superficie del metal y la del trabajo que se hace para parar los electrones es que si sumamos estos dos podemos representar la energía del fotón que incide sobre el metal.
Al momento de graficar la máxima energía
de los electrones liberados de la superficie
de un cierto metal versus la frecuencia del
fotón incidente, podemos observar que es una
línea recta, además todos los metales
presentan la misma curva con la misma
pendiente, solo cambian en el punto de origen
que varia con la frecuencia de entrada f0 del
metal.
La energía que se necesita para liberar el
electrones de la superficie de un metal se
llama función de trabajo (f ) y es igual a f0 .
Bibliografía:
http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/cuantica/fotoelectrico/fotoelectrico.htm
Figura 1 tomada de: http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/cuantica/fotoelectrico/fotoelectrico.htm.
Introducción a la Física Moderna, 1° edición 1987, Mauricio García Castañeda, Jeannine Ewert De-Geus, Universidad Nacional de Colombia, Bogota-Centro Editorial.