Fotoelectrico

El efecto fotoeléctrico.

Fue descubierto por Heinrich Hertz, en 1887, al observar que ciertos metales, bajo la acción de la luz, emiten cargas negativas. Más adelante se pudo comprobar que eran electrones y que la emisión se debía principalmente a la radiación ultravioleta. En el efecto fotoeléctrico tiene lugar una conversión de la energía luminosa en eléctrica.

Se llama efecto fotoeléctrico al proceso de emisión de electrones en la superficie de un metal alcalino cuando inciden sobre el las radiaciones de la luz.

Las características de la emisión fotoeléctrica referida a un metal son:

La emisión de electrones es instantánea al incidir la luz sobre el metal.

El aumentar la intensidad luminosa se incrementa el número de electrones emitidos, pero no la velocidad de salida.

La velocidad de los electrones emitidos solo depende de la frecuencia de la radiación incidente.

Para cada metal existe una cierta frecuencia umbral, por debajo de la cual no se produce emisión fotoeléctrica.

Interpretación del efecto fotoeléctrico:

El efecto fotoeléctrico es un fenómeno general, pero las experiencias citadas del cinc y del metal alcalino indican que la emisión de los electrones depende de la frecuencia de la luz excitatriz. Cuando se someten los metales a la acción sucesiva de las radiaciones luminosas, desde la radiación ultravioleta hasta las infrarrojas, se comprueba que un metal determinado el efecto fotoeléctrico se produce cuando la frecuencia de la radiación es superior a un valor límite que se llama umbral fotoeléctrico.

Se ha podido comprobar que las partículas emitidas por los metales tienen la carga y la masa de los electrones e- y son iguales cualquiera que sea el metal empleado en la experiencia.

Hipótesis de Einstein.

El efecto fotoeléctrico, descubierto por Hertz en 1887, demuestra que la energía luminosa transportada por las radiaciones que inciden en el metal se transforma en energía mecánica. Parte de esa energía mecánica se emplea en arrancar los electrones de la superficie del metal y parte se transforma en energía cinética de los electrones que salen expulsados con una velocidad (v).

La teoría ondulatoria de la luz no explica suficientemente el efecto fotoeléctrico ya que según esta teoría, la energía luminosa transportada por una radiación. Sin embargo, hemos dicho antes, que el umbral fotoeléctrico de pende de la frecuencia de la radiación excitatriz, y la mayor o menor iluminación del metal influye en el número de electrones impulsados, pero no en la velocidad que adquieren.

De aquí que se buscara una explicación del fenómeno fotoeléctrico partiendo de la teoría de los quanta por el físico Alemán Marx Planck (1858 - 1947) en el año 1900. Según esta teoría la energía transportada por una radiación de frecuencia (f) es siempre un múltiplo entero del producto (h x f) donde (h) representa una constante universal que vale, en el S.I., h = 6,62 x 10 -34 Joules.s.

El, producto (h x F) constituye el cuanto de energía, es decir, la menor cantidad de energía que se puede obtener en una radiación de frecuencia (f): es como un átomo o grado de energía. Esto llevo a Einstein a replantear nuevamente la teoría corpuscular de la luz debido a Newton, diciendo que la luz consta de pequeños cuantos o gramos de energía, a los que llamó fotones.

Cada fotón de una radiación (luminosa) de frecuencia (f) transporta una energía.

E = h x f

Siendo:

E: Energía del fotón

H: Constante universal, llamada constante de Planck; su valor es 6,63x10 -34 joule.s

F: Frecuencia de la radiación.

Ecuación de Einstein del efecto fotoeléctrico:

El efecto fotoeléctrico explica fácilmente a partir de la hipótesis fotónica de la luz.

Al llegar a la superficie del metal, un fotón de frecuencia (f) correspondiente a la radiación lumínica, choca con un átomo y le arrancará un electrón si la energía del fotón ( E = h x f ) es mayor que el trabajo o energía de extracción del electrón (Eo)

La deferencia E - Eo entre la energía del fotón y la energía de extracción se convierte en energía cinética del metal expulsando con una velocidad (v). Por tanto:

E - Eo = ½ m v2, Es decir: E = Eo + ½ m v2

La energía del fotón (E) se emplea en arrancar el electrón del metal y comunicarle una energía cinética.

La energía correspondiente al valor del umbral fotoeléctrico (fo) será:

h x fo = Eo

EL efecto fotoeléctrico se produce cuando la energía de la radiación es igual o mayor que el umbral fotoeléctrico.

La frecuencia (f) en este caso, debe ser igual o mayor que (fo), frecuencia límite: fo = Eo/h, por debajo de la cual no es disponible obtener el efecto fotoeléctrico en el metal cuya energía de extracción vale Eo.

Aplicaciones de la célula fotoeléctrica:

Las células fotoeléctricas se pueden fabricar sensibles a la luz visible y a la luz invisible cono los rayos infrarrojos. Esto permite un uso muy variado en la industria, en los laboratorios y en la vida cotidiana. Entre esas múltiples aplicaciones tenemos:

• Para accionar un electroimán: La luz proviene de una lámpara B, incide sobre una célula C y se produce una corriente I. Esta al ser amplificadas, actúa sobre un electroimán E el cual atrae el interruptor S y manteniendo abierto el circuito eléctrico X.

El funcionamiento de éste electroimán se da así: cuando una persona pasa entre la lámpara B y la célula C se interrumpe el flujo luminoso, lo que a su vez interrumpe la corriente I y el interruptor S que no es atraído por el electroimán cierra el circuito eléctrico X. Esto hace funcionar un motor M que a su vez abre o cierra una puerta, hace funcionar una escalera eléctrica, sirve también para contar personas en una exposición u objetos fabricados en serie, o pone en funcionamiento una alarma.

• Reproducción del sonido: Si observamos la figura anterior, en donde se muestra una pequeña lámpara B, la cual ilumina a través del lente L, la banda sonora de una película. El flujo que absorbe la banda sonora incide sobre una célula fotoeléctrica que es capaz de convertir las variaciones de la intensidad luminosa en intensidad de corriente. Estas a su vez al ser amplificadas son capaces de accionar un altavoz.

Ondas materiales:

En 1824, el físico francés Luis de Broglie sugirió la idea que la naturaleza dual de la luz ondacorpúsculo evidencia al mismo tiempo la naturaleza ondulatoria de todas las partículas elementales. Al poner Einstein la equivalencia entre masa y energía (E = c x m2) postulada que en todo sistema mecánico las ondas están asociadas con las partículas materiales.

En su forma actual, ésta teoría se conoce con el nombre de mecánica ondulatoria. Así como las leyes de la mecánica clásica de Newton son indispensables para poder explicar el comportamiento de los cuerpos macroscópicos, la mecánica ondulatoria es esencial cuando se estudian masas de dimensiones atómicas y subatómicas.

Así, una partícula radiante m que se desplaza con la velocidad v posee una cantidad de movimiento p. Dicha cantidad de movimiento viene dad por la ecuación:

P = m x v

En el caso del fotón, aunque se considera que no tiene masa se ha visto que posee impulsos o cantidad de movimiento al estudiar el choque de fotones con electrones.

Llamemos p la cantidad de movimiento de un fotón de frecuencia f y de energía E = h x f..........(1).

Por la equivalencia de Einstein entre masa y energía, E = m x c2 escribimos E=mxcxc. Como m x c = p podemos escribir que: E = p x c............(2).

Al igualar las ecuaciones (1) y (2) nos resulta que: h x f = p x c..........(3).

Por otra parte, sabemos que c = f que al sustituir lo de (3) nos queda: h x f = p, luego h = p, de donde al despejar nos queda:

& = h/p..............(4).

& : Longitud de onda del fotón.

h : Es un factor de personalidad llamado constante de Planck y cuyo valor es 6,63x10 -34 J.s

p : Es la cantidad de movimiento.

Esta ecuación (4), conocida por la relación de Broglie, relaciona la longitud de onda de un fotón en función inversa de la cantidad de movimiento del mismo.

Supongamos que una partícula radiante de una masa m y velocidad v; posee una energía E y una cantidad de movimiento p = m x v. La longitud de onda asociada a la partícula se obtiene de la relación de Broglie.

& = h/p como p = m x v; nos queda que: & = h/m x v...............(5)

Según (5), cuanto más de prisa se nueve la partícula, menos es la longitud de onda que lleva asociada.

Relación entre la energía del fotón y la longitud de onda de la luz:

La relación entre la energía del fotón y la longitud de onda de la correspondiente luz puede deducirse del modo siguiente:

Nosotros sabemos que: & = c/v

Si multiplicamos el numerador y el denominador por h nos queda que:

c h . c

& = -------- = ------------- de donde h x v = Efotón

v h . v

Quedándonos que:

h x c

& = -------------

Efotón

Evaluemos h x c, sustituyendo la constante de Planck h y la velocidad de la luz c.

h x c = (6.63 x 10 -34 joules.s) x (3 x 10 8 m/s) = 1.98 x 10 -25 joules.m

Transformamos los joules-m a eV-metro

Sabemos que 1m = 10 10 angstroms

1 joule = 6,25 x 10 18 eV; luego

h x c = (1,98 x 10 -25 J.m) x (10 10 A) x (6,25 x 10 18 eV/J)

h x c = 1,2375 x 10 4 eV-angstrom.

Esto significa que la longitud

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