En Cavendish hizo experimentos con corrientes que circulaban dentro de tubos de vidrio. Investigaba los rayos catódicos. Propuso que se trataba de partes pequeñas de los átomos. Es decir, propuso la existencia de componentes subatómicos. Así se pudo descubrir el electrón.

J.J. Thomson nació en1856. Pudo estudiar en el Trinity College de Cambridge con una beca.Estudiantes de Cambridge del tutor E.J. Routh, 1879. Thomson está parado a la derecha de la fila de atrás, en la puerta. Larmor está en el extremo izquierdo de la fila.

Material del AIP, http://www.aip.org/history/electron/

Thomson anunció: "we have in the cathode rays matter in a new state, a state in which the subdivision of matter is carried very much further than in the ordinary gaseous state: a state in which all matter... is of one and the same kind; this matter being the substance from which all the chemical elements are built up.” Voz de Thomson:

Efecto Fotoeléctrico

Cuando se ilumina una placa metálica con luz ultravioleta en vacío, la placa emite partículas cargadas (Hertz 1887). Más tarde J.J. Thomson mostró que eran electrones (1899).

El campo eléctrico ejerce una fuerza F=-eE sobre las cargas. Si aumenta la intensidad aumenta la fuerza y debe aumentar el número de cargas que se emiten.

Los electrones deberían ser emitidos independientemente del valor de la frecuencia

Para intensidades bajas debería existir un intervalo de tiempo que habría que esperar hasta que la carga fuera emitida.

Expectativas clásicas

Hertz J.J. Thomson

I

Vacuum chamber

Metal plate

Collecting plate

Ammeter

Potentiostat

Light, frequency ν

Efecto fotoeléctrico

La cantidad máxima de electrones emitidos, KE, está dada por: o

maxK h W

Función de trabajo: energía mínima necesaria para que el electrón escape del metal (depende del material, usualmente es del orden de 2-5eV)

Constante de Planck

346.63 10 Jsh

Einstein

Millikan

Esto fue verificado experimentalmente por Millikan

El número máximo de cargas emitidas es independiente de la intensidad pero depende de la frecuencia.

Existe una frecuencia de corte tal que si ν<ν0 no se emiten cargas.

No hay que esperar ningún intervalo de tiempo a baja intensidad. La tasa de emisión depende de la intensidad..

Resultados experimentales:

E h

Einstein (1905):

La luz viene en paquetes de energía (fotones).

La carga (el electrón) absorbe un único fotón para dejar el material

Los electrones emitidos dan información sobre la distribución de electrones dentro de un material como función de la energía y el momento.

Febrero 2000

Imagen de lo que sucede

El eefecto fotoeléctrico es utilizado para estudiar materiales

El efecto fotoeléctrico es la base de los fotomultiplicadores, detectores ópticos de vacío que permiten medir muy bajos niveles de iluminación.

Efecto Compton

X-ray source

Target

Crystal (selects wavelength)

Collimator (selects angle)

θ

Compton (1923) midió la intensidad de los rayos X dispersados por un blanco sólido como función de la longitud de onda para distintos ámgulos. Ganó el Premio Nobel en 1927.

Resultado: el pico en la radiación dispersada se corre hacia longitudes de onda más largas que las de la fuente. Cuánto depende de θ (y no del material). A.H. Compton, Phys. Rev. 22 409 (1923)

Detector

Compton

Efecto Compton

Explicación de Compton: choques entre partículas de luz (fotones en el rango de rayos X) y electrones del material material

Imagen clásica: el campo electromagnético oscilante pone a oscilar a las partículas cargadas las que entonces re-irradian la energía en todas las direcciones con la misma frecuencia y longitud de onda que la del campo incidente.

Clásicamente el cambio en la longitud de onda es inexplicable.

θ

ep

pAntes de la colisión

Después

Electron

Fotón que llega

p

Fotón dispersado

Electrón dispersado

Electrón que oscilaOnda incidente Onda emitida

Conservación de la energía Conservación del momento

1/ 22 2 2 2 4e e eh m c h p c m c ˆ

e

h p i p p

1 cos

1 cos 0e

c

h

m c

12 Compton wavelength 2.4 10 mce

h

m c

A partir de estas igualdades Compton derivó lo siguiente:

θ

ep

pAntes Después

Electron

Fotón entrante

p

Fotón dispersado

Electrón dispersado

Efecto Compton

Efecto Compton

Resultados:• Para cualquier ángulo se observa

una frecuencia adicional

Efecto Compton

Resultados:

)cos1()cos1(' 0 Cecm

h

mC121043.2

Notar que, para todos los ángulos, también hay un pico que no está corrido

Esto viene de la colisión entre el fotón X y el núcleo del átomo

1 cos 0N

h

m c

Efecto Compton

Dualidad onda-partícula de la luz

En 1924 Einstein escribió:- “ Hay por lo tanto dos teorías de la luz, las dos indispensables y … sin ninguna conexión lógica”.”

Naturaleza ondulatoria• difracción e interferenciaEvidencia a favor de “fotones”• Efecto fotoeléctrico• Efecto Compton

•La luz exhibe propiedades de las ondas

•La luz es detectada como paquetes. Nunca se observa medio fotón.

•Número de fotones es proporcional a la densidad de energía (i.e al cuadrado de la intensidad de E)