El Efecto Fotoeléctrico
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Contigo es posible
La Universidad un espacio de desarrollo integral
UNIVERSIDAD POPULAR DEL CESAR FACULTAD DE CIENCIAS BSICAS DE LA EDUCACIN
LICENCIATURA EN MATEMTICAS Y FSICA
IDENTIFICACIN
LABORATORIOS DE FSICA MIGUEL NGEL VARGAS Z.
GUA DE LABORATORIO FSICA MODERNA: El Efecto Fotoelctrico
EXPERIMENTAL III
INTRODUCCIN
Una de las grandes discusiones en el mundo de la fsica y de la ciencia en general se dio, a finales del
siglo XVII, acerca de la naturaleza de las radiaciones electromagnticas, especficamente de la luz.
Un grupo de cientficos encabezados por Huygens defendan su naturaleza ondulatoria, mientras que
otro grupo encabezado por Newton defendan su naturaleza corpuscular. La gran credibilidad de
Newton hace que para principios del siglo XVIII, la comunidad cientfica en general acepte la
naturaleza corpuscular de la luz. Por lo que la teora de Huygens qued completamente ignorada
hasta la primera mitad del siglo XIX, cuando Thomas Young slo pudo explicar el fenmeno de
interferencia suponiendo que la luz fuese en realidad una onda. Otros estudios de la misma poca
explicaron fenmenos como la difraccin y la polarizacin teniendo en cuenta la teora ondulatoria.
El golpe final a la teora corpuscular pareci llegar en 1848, cuando se consigui medir la rapidez de
la luz en diferentes medios y se encontr que variaba de forma totalmente opuesta a como lo haba
supuesto Newton. Debido a esto, casi todos los cientficos aceptaron que la luz tena una naturaleza
ondulatoria. Sin embargo todava quedaban algunos puntos por explicar como la propagacin de la
luz a travs del vaco, ya que todas las ondas conocidas se desplazaban usando un medio fsico, y la
luz viajaba incluso ms rpido que en el aire o el agua. Se supona que este medio era el ter del que
hablaba Huygens, pero nadie lo consegua encontrar. Sin embargo, todo pareca aclararse a favor de
Huygens cuando en 1845, Michael Faraday descubri que el ngulo de polarizacin de la luz se poda
modificar aplicndole un campo magntico (efecto Faraday), proponiendo dos aos ms tarde que la
luz era una vibracin electromagntica de alta frecuencia. James Clerk Maxwell, inspirado por el
trabajo de Faraday, estudi matemticamente estas ondas electromagnticas y se dio cuenta de que
siempre se propagaban a una rapidez constante, que coincida con la rapidez de la luz, y de que no
necesitaban medio de propagacin ya que se autopropagaban. La confirmacin experimental de las
teoras de Maxwell elimin las ltimas dudas que se tenan sobre la naturaleza ondulatoria de la luz.
No obstante, a finales del siglo XIX, se fueron encontrando nuevos efectos que no se podan explicar
suponiendo que la luz fuese una onda, como, por ejemplo, el efecto fotoelctrico, esto es, la emisin
de electrones de las superficies de slidos y lquidos cuando son iluminados. Los trabajos sobre el
proceso de absorcin y emisin de energa por parte de la materia slo se podan explicar si uno
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asuma que la luz se compona de partculas. Entonces la ciencia lleg a un punto muy complicado e
incomodo: se conocan muchos efectos de la luz, sin embargo, unos slo se podan explicar si se
consideraba que la luz era una onda, y otros slo se podan explicar si la luz era una partcula.
Los esfuerzos se centran ahora en explicar de manera razonable las observaciones en el efecto
fotoelctrico. En 1900 Max Planck, basndose en la teora clsica de ondas, intentaba formular una
teora para explicar sus resultados experimentales de radiacin del cuerpo negro, es decir de la
energa radiada por un objeto que absorbe toda la energa que recibe. Planck consigui ajustar
perfectamente los datos experimentales de sus observaciones introduciendo la siguiente hiptesis: la
energa radiante no se emite y absorbe de forma continua sino en pequeos paquetes discretos, o
cuantos. Adems dedujo que la energa de un cuanto deba ser proporcional a la frecuencia de
radiacin: E = h, donde h, la constante de proporcionalidad, es llamada constante de Planck (h =
6.626x10-34
J s).
Es finalmente Einstein, en 1905, al utilizar la idea de Planck de la cuantizacin quien logra explicar
las caractersticas del efecto fotoelctrico (por esta explicacin recibi el premio Nobel en 1921) y
concluy que la radiacin de frecuencia (monocromtica) se comporta como si constara de un
nmero finito de cuantos de energa, localizados e independientes, cada uno de ellos con energa E =
h. En la nomenclatura actual, introducida por Lewis, estos cuantos reciben el nombre de FOTONES.
En esta prctica se trata de comprobar de forma experimental las caractersticas del efecto
fotoelctrico y a partir de ellas determinar el valor de la constante de Planck.
1. CONCEPTOS BSICOS
La emisin de electrones en un material alcalino por accin de la luz se denomina Efecto
Fotoelctrico. Por la explicacin terica de este fenmeno Albert Einstein, recibi el premio Nobel en
1921 y por su contribucin experimental Robert Andrews Millikan lo obtuvo en 1923. En 1905
Albert Einstein propuso una explicacin que relaciona la forma como depende la emisin
fotoelctrica de la frecuencia de radiacin. Einstein sugiri que los electrones libres, en su interaccin
con la radiacin electromagntica, se comportan en la forma propuesta por Max Planck, para los
osciladores atmicos en relacin con la radiacin de cuerpo negro, segn la cual cada oscilador puede
absorber o emitir una cantidad de energa discreta, o cuanto de energa posteriormente llamado Fotn.
La ecuacin que proporciona la energa de un cuanto es:
E = hv (1.1)
En la cual, E es la energa absorbida o emitida en cada proceso, h una constante de proporcionalidad
(posteriormente llamada constante de Planck, h = 6.625 1034
Js), v la frecuencia de radiacin
electromagntica. Por consiguiente v = c/, donde c = 3108
m/s, es la velocidad de la radiacin
incidente y su longitud de onda correspondiente. Para Einstein cuando un fotn incide sobre una
superficie metlica alcalina puede transmitir energa suficiente a un electrn para que supere la
barrera de energa potencial de la superficie y se libere del metal. La energa del fotn hv debe ser
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mayor o igual que la funcin de trabajo w0, la cual es la mnima energa que necesita un electrn para
poder escapar del metal, es decir hv wo. En este caso, vo = wo/h, es llamada la frecuencia umbral.
Esta frecuencia mnima es incompatible con la teora ondulatoria, pues, cualquiera que sea la
frecuencia de la radiacin siempre ha de ser posible una emisin electrnica con una iluminacin
suficientemente intensa, segn la teora clsica. De acuerdo con lo anterior:
hv = wo + 1/2 mv2
Max (1.2)
Donde 1/2 mv2
Max es la energa cintica del electrn desprendido del metal. Esta ecuacin es la
clebre ecuacin de Einstein del efecto fotoelctrico.
La Energa de los electrones emitidos aumenta linealmente con la frecuencia, pero es
independiente de la intensidad de la luz.
Para efectos experimentales se emplea una fotoclula que se compone de una placa foto emisiva
llamada ctodo y un nodo colector de carga. Cuando el ctodo se expone a una luz de frecuencia v
mayor que la frecuencia umbral v0 se produce una corriente en el circuito de la fotoclula que puede
ser anulada parcial o totalmente por un potencial de frenado V0, aplicado al nodo, tal que:
eVo = 1/2 mv2
Max (1.3)
De tal forma que cuando la corriente se hace igual a cero en el circuito de la fotocelda, la ecuacin se
transforma en la siguiente expresin:
hv = wo + eVo (1.4)
2. SITUACIN PROBLEMTICA
Determinar experimentalmente la constante de Planck h, as como estudiar la dependencia del
potencial de frenado respecto de la intensidad de la radiacin incidente.
3. COMPETENCIAS ESPECFICAS
Considerando que el desarrollo de competencias busca equilibrar el saber qu, el saber cmo hacer y el saber ser, la siguiente prctica experimental busca desarrollar en los estudiantes las siguientes competencias:
Muestra habilidad para relacionar los resultados experimentales, con los modelos tericos y concluir sobre la validez de los mismos.
Examina e interpreta el montaje realizado para el desarrollo de la prctica, al mismo tiempo que muestra habilidad en el manejo de los elementos de laboratorio.
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Redacta y construye conclusiones acerca del trabajo experimental con la profundidad conceptual que el tema requiere. As como que analiza e interpreta la explicacin dada
por Einstein al Efecto Fotoelctrico.
Interpreta terica y experimentalmente la relacin encontrada entre la constante de Planck y la carga del electrn, muestra habilidad en la apropiacin de los conceptos y
exposicin de los mismos.
Demuestra disposicin para trabajar en grupo y hace importantes aportes para conseguir los objetivos propuestos, respetando las opiniones de los compaeros.
4. MATERIALES Y EQUIPOS
Equipo Pasco h/e. Voltmetro digital. Filtro de transmisin (dado en porcentajes). Filtro para el color amarillo y verde.
5. PROCESO METODOLGICO
Para el desarrollo de la actividad se sugiere seguir los siguientes pasos, aunque el estudiante es libre
de disear su propio procedimiento para el desarrollo de la prctica, para el manejo del equipo debe
seguirse estrictamente como se indica, adems de acatar todas las normas de seguridad. La Fig. 1
muestra un esquema de cmo deben conectarse al aparato h/e a los diferentes elementos.
En el equipo h/e de PASCO los fotones emitidos por una lmpara de mercurio, se pasan por una
rejilla de difraccin para separar la luz emitida por la lmpara en sus diferentes colores. Estos fotones
inciden sobre el ctodo de un tubo al vaco. Parte de la energa cintica recibida por cada electrn se
emplea para escaparse del ctodo w0, quedando ste con una energa cintica cuyo mximo es
EKmax=1/2mv2
Max. Aplicando una diferencia de potencial entre el nodo y el ctodo, se puede
determinar el potencial necesario para detener todos los electrones, y por lo tanto, se mide el mximo
de su energa cintica. En este equipo el potencial de frenado se mide directamente con un voltmetro
digital.
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Fig. 1 Montaje Experimental
5.1 Parte A: Clculo de h, Vo y vo.
5.1.1 Encienda la fuente de mercurio y no la apague hasta finalizar el experimento. Espere que la lmpara se caliente durante un minuto para empezar a tomar medidas.
5.1.2 Observe los espectros que se forman e identifique el espectro de primer orden (el ms brillante). Ver figura 2.
5.1.3 Para medir el potencial de frenado Vo enfoque cada color del espectro exactamente en la ranura de la pantalla reflectiva blanca. Para conseguir esto, rote la barra de la base
de apoyo hasta lograrlo.
5.1.4 Gire el cilindro negro que est detrs de la pantalla blanca hasta que pueda ver la pantalla del fotodiodo.
5.1.5 Para los colores amarillo y verde ponga en la pantalla reflectiva el filtro correspondiente antes de tomar la medida.
5.1.6 Gire el aparato h/e sobre la barra vertical hasta lograr que el color seleccionado quede centrado sobre los agujeros del fotodiodo.
5.1.7 Ponga el cilindro en su posicin inicial. 5.1.8 Ponga en funcionamiento el aparato h/e. 5.1.9 Conecte el voltmetro digital. 5.1.10 Presione el botn de descarga y cerciorase que el voltmetro marque cero voltios.
Librelo y espere aproximadamente 30 segundos para tomar el valor del potencial de
frenado en cada color.
5.1.11 Tome cinco medidas del potencial para cada color.
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Fig. 2 Espectro de emisin del mercurio
5.2 Parte B: Dependencia del potencial de frenado Vo con respecto a la intensidad luminosa. 5.2.1 Mida el potencial de frenado para el color amarillo, con cada porcentaje del filtro de
transmisin. No olvide poner antes el filtro amarillo. Tome 5 medidas en cada caso.
5.2.2 Repita el paso anterior para el color verde con su respectivo filtro.
6. ANLISIS DE RESULTADOS Y CONCLUSIONES
6.1 Con los datos obtenidos elabore las tablas necesarias.
6.2 Grafique el potencial de frenado en funcin de la frecuencia de cada color. En la siguiente tabla se muestra las correspondientes frecuencias y longitudes de ondas de los colores
mostrados en el espectro del Hg.
6.3 Encuentre la ecuacin de la grfica obtenida. Comprela con la ecuacin (1.4) determine de all la constante h de Planck.
6.4 Compare el valor obtenido para h con el valor terico y determine el error porcentual.
6.5 De su grfico determine la frecuencia umbral o de corte vo, y la funcin de trabajo de la foto celda wo. Qu significado fsico tienen vo y wo.
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6.6 Para el color amarillo grafique el potencial de frenado en funcin de la intensidad luminosa, representada por el filtro de transmisin. En el mismo grfico haga lo propio para el color
verde.
6.7 Analice y responda las siguientes preguntas: 6.7.1 Analizando el grfico anterior: Depende el potencial de frenado de la intensidad
luminosa? Explique.
6.7.2 Discuta si sus resultados estn mejor sustentados por un modelo cuntico de la luz o por un modelo ondulatorio.
6.7.3 En qu consiste el efecto fotoelctrico? Explique! 6.7.4 Cules son las predicciones clsicas sobre el efecto fotoelctrico? 6.7.5 Qu es el potencial de frenado Vo? 6.7.6 A que se denomina frecuencia umbral o de corte vo? 6.7.7 Qu se entiende por funcin de trabajo w0 en el efecto fotoelctrico?
REFERENCIAS BIBLIOGRFICAS
Baird, D. C. Experimento: Una introduccin a la teora de medicin y a la experimentacin.
Fsica Re Creativa, Salvador Gil y Eduardo Rodrguez. Prentice Hall Buenos Aires. 2001.
Manual de PASCO ENOSA, mdulo de prcticas. Alonso, M. Finn, J.E., Fsica, volumen 3, Addison-Wesley Iberoamericana, Mxico, 1995. A.W. Knudsen, The photoelectric determination of h/e: A new approach to the problem,
Am. J. Phys. 51, 725 729 (1983).5. R.A. Powell, Photoelectric Effect: Back to Basics, Am. J. Phys. 46(10), 1046 (Oct.
1978).
Pginas en Internet www.fsica.net www.google.com.co http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/ http://dvf.mfc.uclv.edu.cu/Laboratorio%20Virtual/SIDEF.htm http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/elecmagnet/induccion/alterna1/alterna1.htm