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FSICA MODERNATRABAJO COLABORATIVO TRES

GRUPO No. 299003_46Luis Alfredo Salas Toro-1128063751Otto Ruefli Barrera 1118538282 Leonel Moya Gutirrez - 1116544801(Solo se incluyen a los estudiantes que hicieron aportes reales al trabajo)

UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA UNADESCUELA DE CIENCIAS BSICAS, TECNOLOGA E INGENIERASimn bolvar CartagenaMayo 2014

CONTENIDO

PginaINTRODUCCIN32. MARCO TERICO43. RESULTADOS53.1 Materia 1 (xxxxx)53.2 Materia 2 (xxxxx)54. ANLISIS DE LOS RESULTADOS64.1 Actividad 1.64.2 Actividad 264.3 Actividad 364.4 Actividad 464.5 Actividad 565. CONCLUSIONES76. BIBLIOGRAFA8

INTRODUCCIN

La presente actividad resalta de forma prctica lo referente con el efecto foto elctrico donde atreves de la realizacin ejercicios con un simulador podremos comprender lo que ocurre en este fenmeno usando variedad de materiales de muestra para dichos clculos.

2. MARCO TERICO

El efecto fotoelctrico consiste en la emisin de electrones por un material cuando se hace incidir sobre l una radiacin electromagntica (luz visible o ultravioleta, en general).[1] A veces se incluyen en el trmino otros tipos de interaccin entre la luz y la materia: Fotoconductividad: es el aumento de la conductividad elctrica de la materia o en diodos provocada por la luz. Descubierta por Willoughby Smith en el selenio hacia la mitad del siglo XIX. Efecto fotovoltaico: transformacin parcial de la energa lumnica en energa elctrica. La primera clula solar fue fabricada por Charles Fritts en 1884. Estaba formada por selenio recubierto de una fina capa de oro.El efecto fotoelctrico fue descubierto y descrito por Heinrich Hertz en 1887, al observar que el arco que salta entre dos electrodos conectados a alta tensin alcanza distancias mayores cuando se ilumina con luz ultravioleta que cuando se deja en la oscuridad. La explicacin terica fue hecha por Albert Einstein, quien public en 1905 el revolucionario artculo Heurstica de la generacin y conversin de la luz, basando su formulacin de la fotoelectricidad en una extensin del trabajo sobre los cuantos de Max Planck. Ms tarde Robert Andrews Millikan pas diez aos experimentando para demostrar que la teora de Einstein no era correcta, para finalmente concluir que s lo era. Eso permiti que Einstein y Millikan fueran condecorados con premios Nobel en 1921 y 1923, respectivamente.Se podra decir que el efecto fotoelctrico es lo opuesto a los rayos X, ya que el efecto fotoelctrico indica que los fotones pueden transferir energa a los electrones. Los rayos X (no se saba la naturaleza de su radiacin, de ah la incgnita "X") son la transformacin en un fotn de toda o parte de la energa cintica de un electrn en movimiento. Esto se descubri casualmente antes de que se dieran a conocer los trabajos de Planck y Einstein (aunque no se comprendi entonces).

LOS FOTONESTienen una energa caracterstica determinada por la frecuencia de onda de la luz. Si un tomo absorbe energa de un fotn y tiene ms energa que la necesaria para expulsar un electrn del material y adems posee una trayectoria dirigida hacia la superficie, entonces el electrn puede ser expulsado del material. Si la energa del fotn es demasiado pequea, el electrn es incapaz de escapar de la superficie del material. Los cambios en la intensidad de la luz no modifican la energa de sus fotones, tan slo el nmero de electrones que pueden escapar de la superficie sobre la que incide y por tanto la energa de los electrones emitidos no depende de la intensidad de la radiacin que le llega, sino de su frecuencia. Si el fotn es absorbido, parte de la energa se utiliza para liberarlo del tomo y el resto contribuye a dotar de energa cintica a la partcula libre.En principio, todos los electrones son susceptibles de ser emitidos por efecto fotoelctrico. En realidad los que ms salen son los que necesitan menos energa para ser expulsados y, de ellos, los ms numerosos.En un aislante (dielctrico), los electrones ms energticos se encuentran en la banda de valencia. En un metal, los electrones ms energticos estn en la banda de conduccin. En un semiconductor de tipo N, son los electrones de la banda de conduccin los que son ms energticos. En un semiconductor de tipo P tambin, pero hay muy pocos en la banda de conduccin. As que en ese tipo de semiconductor hay que tener en cuenta los electrones de la banda de valencia.A la temperatura ambiente, los electrones ms energticos se encuentran cerca del nivel de Fermi (salvo en los semiconductores intrnsecos en los cuales no hay electrones cerca del nivel de Fermi). La energa que hay que dar a un electrn para llevarlo desde el nivel de Fermi hasta el exterior del material se llama funcin de trabajo, y la frecuencia mnima necesaria, de radiacin incidente, para sacar un electrn del metal, recibe el nombre de frecuencia umbral. El valor de esa energa es muy variable y depende del material, estado cristalino y, sobre todo, de las ltimas capas atmicas que recubren la superficie del material. Los metales alcalinos (sodio, calcio, cesio, etc., presentan las ms bajas funciones de trabajo. An es necesario que las superficies estn limpias a nivel atmico. Una de la mayores dificultades en los experimentos de Millikan era que haba que fabricar las superficies de metal en el vacoLeyes de la emisin fotoelctrica1. Para un metal y una frecuencia de radiacin incidente dados, la cantidad de fotoelectrones emitidos es directamente proporcional a la intensidad de luz incidente.[2]2. Para cada metal dado, existe una cierta frecuencia mnima de radiacin incidente debajo de la cual ningn fotoelectrn puede ser emitido. Esta frecuencia se llama frecuencia de corte, tambin conocida como "Frecuencia Umbral".3. Por encima de la frecuencia de corte, la energa cintica mxima del fotoelectrn emitido es independiente de la intensidad de la luz incidente, pero depende de la frecuencia de la luz incidente.4. La emisin del fotoelectrn se realiza instantneamente, independientemente de la intensidad de la luz incidente. Este hecho se contrapone a la teora Clsica:la Fsica Clsica esperara que existiese un cierto retraso entre la absorcin de energa y la emisin del electrn, inferior a un nanosegundo.Formulacin matemticaPara analizar el efecto fotoelctrico cuantitativamente utilizando el mtodo derivado por Einstein es necesario plantear las siguientes ecuaciones:Energa de un fotn absorbido = Energa necesaria para liberar 1 electrn + energa cintica del electrn emitido.Algebraicamente:,que puede tambin escribirse como.donde h es la constante de Planck, f0 es la frecuencia de corte o frecuencia mnima de los fotones para que tenga lugar el efecto fotoelctrico, es la funcin de trabajo, o mnima energa necesaria para llevar un electrn del nivel de Fermi al exterior del material y Ek es la mxima energa cintica de los electrones que se observa experimentalmente. Nota: Si la energa del fotn (hf) no es mayor que la funcin de trabajo (), ningn electrn ser emitido. Si los fotones de la radiacin que inciden sobre el metal tienen una menor energa que la de funcin de trabajo, los electrones del material no obtienen suficiente energa como para emitirse de la superficie metlica.En algunos materiales esta ecuacin describe el comportamiento del efecto fotoelctrico de manera tan slo aproximada. Esto es as porque el estado de las superficies no es perfecto (contaminacin no uniforme de la superficie externa).Efecto fotoelctrico en la actualidadEl efecto fotoelctrico es la base de la produccin de energa elctrica por radiacin solar y del aprovechamiento energtico de la energa solar. El efecto fotoelctrico se utiliza tambin para la fabricacin de clulas utilizadas en los detectores de llama de las calderas de las grandes centrales termoelctricas. Este efecto es tambin el principio de funcionamiento de los sensores utilizados en las cmaras digitales. Tambin se utiliza en diodos fotosensibles tales como los que se utilizan en las clulas fotovoltaicas y en electroscopios o electrmetros. En la actualidad los materiales fotosensibles ms utilizados son, aparte de los derivados del cobre (ahora en menor uso), el silicio, que produce corrientes elctricas mayores.El efecto fotoelctrico tambin se manifiesta en cuerpos expuestos a la luz solar de forma prolongada. Por ejemplo, las partculas de polvo de la superficie lunar adquieren carga positiva debido al impacto de fotones. Las partculas cargadas se repelen mutuamente elevndose de la superficie y formando una tenue atmsfera. Los satlites espaciales tambin adquieren carga elctrica positiva en sus superficies iluminadas y negativa en las regiones oscurecidas, por lo que es necesario tener en cuenta estos efectos de acumulacin de carga en su diseo.

3. RESULTADOS

3.1 Materia 1 (sodio)Entraran al link ovas unidad 3 interactuar con el laboratorio virtual sobre el efecto fotoelctrico. Para cada target, el estudiante deber encontrar la longitud de onda para la cual el material seleccionado libera electrones una vez es bombardeado por los fotones enviados por la lmpara. Asociar a esta longitud de onda, su frecuencia correspondiente. Comprobar si la emisin de electrones depende de la intensidad de la luz de la frecuencia de los fotones.Cada experiencia debe hacerse para el Sodio, Zinc, Cobre, Platino, Calcio, y para el material desconocido. Presentar un informe de laboratorio, con sus respectivos anlisis. Documentarse adecuadamente sobre el efecto fotoelctrico, la informacin encontrada les permitir entender la base terica del fenmeno a estudiar, es importante que en el informe la documentacin terica no exceda ms del 20% del informeMaterial sodio NA

Clculos TericosEn caso de que exista desprendimiento de electrones (para los valores suministrados en la tabla) en el material utilizado se debe presentar el clculo de la longitud de onda de la luz incidente.

Adems, encontrar el valor de la longitud de onda umbral y frecuencia umbral de cada material de forma experimental.

Punto 1 de la tabla se realiza para los 6 elementos Intensidad 15% longitud de onda 613

Anlisis para el Sodio

Anlisis para el cobre

Anlisis para el platino

Anlisis para el material desconocido

Punto 2: de la tabla se realiza para los 6 elementos Intensidad 96%, longitud de onda 418

Anlisis para el sodio

Longitud de Onda Umbral para el sodio = 538nm Anlisis para el zinc


Anlisis para el calcio

Longitud de Onda Umbral para el Calcio = 425nm Anlisis para el material desconocido



Anlisis para el zinc


Nota: en ninguno de los materiales se presenta liberacin de electrones dada la intensidad del 37% y la longitud de onda a 644nmPunto 4: de la tabla se realiza para los 6 elementos Intensidad 52%, longitud de onda 512

Longitud de Onda Umbral para el Calcio = 538nm


Anlisis para el material desconocido

Nota: en este tem solo observamos liberacin de electrones para el Sodio, en los dems materiales no se presenta ninguna reaccin.





Nota: en este tem NO se observa ninguna liberacin de electrones para con ningn material.



Frecuencia umbral = 0.23 x Hz

Anlisis para el zincNo hay liberacion de electrones. Anlisis para el cobre No hay liberacion de electrones. Anlisis para el platinoNo hay liberacion de electrones.


0.23 x Hz

Anlisis para el material desconocidoNo hay liberacion de electrones.



0.99 x Hz

Anlisis para el zincNo hay liberacion de electrones. Anlisis para el cobre No hay liberacion de electrones. Anlisis para el platinoNo hay liberacion de electrones.


0.99 x Hz

Analisis para el material desconocido

0.99 x Hz

Punto 8: de la tabla se realiza para los 6 elementos Intensidad 38%, longitud de onda 215 Anlisis para el sodio

0.13 x Hz



Anlisis para el platino No hay liberacin de electrones Anlisis para el calcio

Anlisis material desconocido.

Punto 9: de la tabla se realiza para los 6 elementos Intensidad 59%, longitud de onda 139 Anlisis para el sodio

0.212 x Hz





Anlisis para material desconocido

3.2 Materia 2 (xxxxx)Se colocan algunas imgenes de las simulaciones donde se aprecien los valores de la intensidad, la longitud de onda y el material utilizado.Clculos TericosEn caso de que exista desprendimiento de electrones (para los valores suministrados en la tabla) en el material utilizado se debe presentar el clculo de la longitud de onda de la luz incidente.

Adems, encontrar el valor de la longitud de onda umbral y frecuencia umbral de cada material de forma experimental.

Etc as para cada uno de los materiales.Respuesta.

4. ANLISIS DE LOS RESULTADOS

4.1 Actividad 1. (Respectivo anlisis), pueden describir que es lo que sucede respecto al desprendimiento de electrones, en cada material y comparar el resultado experimental de la longitud de onda umbral con la terica. (en el foro se anexa tabla de frecuencias y longitudes umbrales para diferentes materiales).4.2 Actividad 2Responder la pregunta de la gua de actividades y argumentar la respuesta con los resultados obtenidos.

4.3 Actividad 3 Responder la pregunta de la gua de actividades y argumentar la respuesta con los resultados obtenidos.Pregunta.Sobre el nmero de electrones emitidos, responder si depende de la frecuencia emitida por la seal electromagntica sobre la placa, depende la intensidad de la seal electromagntica? Demostrar esta respuesta con las mediciones.Con relacin a las simulaciones anteriores realizadas puedo concluir lo siguiente.La liberacin de electrones de electrones es directamente proporcional al aumento de la intensidad de fotones que lleguen a la placa y a su vez de al aumento de la frecuencia, adicional mente sucede algo particular en la simulacin si se cambia la polaridad a negativo se genera un efecto de rebote o contencin de los electrones de la placa negativa hacia la positiva.Este fenmeno aplica para todos los materiales en prueba.4.4 Actividad 4Responder la pregunta de la gua de actividades y argumentar la respuesta con los resultados obtenidos.Pregunta.Responder si el voltaje mnimo para el cual no se reciben electrones entre las placas del experimento es diferente para cada material? Demostrar esta respuesta con las mediciones, para este punto es importante documentarse sobre la funcin de trabajo en el efecto fotoelctrico.Respuesta.4.5 Actividad 5 Responder la pregunta de la gua de actividades y argumentar la respuesta con los resultados obtenidos.CONCLUSIONES

Se hace referencia a lo desarrollado en el trabajo.

6. BIBLIOGRAFA

Cortes, G. a. (2014). Modulo Fisica Moderna. Bogota D.C.http://es.wikipedia.org. (07 de Mayo de 2014). Obtenido de http://es.wikipedia.org/wiki/Efecto_fotoel%C3%A9ctrico

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