Experiencia 7 (2)
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EFECTO FOTOELCTRICO
Introduccin
En los ltimos aos del siglo XIX, se descubri que las
placas electrificadas de metal expuestas a la luz de
frecuencias lo suficientemente elevadas (generalmente luz
ultravioleta) desprendan partculas cargadas, identificadas
ms tarde como electrones. Este comportamiento es
conocido como efecto fotoelctrico.
Figura 1: Esquema que representa el Efecto Fotoelctrico.
Experimentos realizados por Heinrich Hertz en la
produccin y deteccin de ondas electromagnticas, le
permitieron observar que la descarga que se produca en la
abertura de su detector era afectada por la radiacin
ultravioleta de una fuente empleada para iluminar el
detector.
Wilhelm Hallwachs determin experimentalmente que
una placa limpia de Zinc cargada, iluminada por radiacin
ultravioleta, perda su carga si era negativa y la conservaba
si era positiva. Tambin determin que una placa neutra
adquira una carga positiva al irradiarla con luz ultravioleta.
Philipp von Lenard determin experimentalmente que:
Existe una frecuencia mnima, 0, denominada frecuencia umbral, para la cual se empieza a producir la
emisin de electrones.
La energa de los electrones expulsados es independiente de la irradiancia de la radiacin incidente. La
irradiancia es la magnitud utilizada para describir la
potencia incidente por unidad de superficie de todo tipo de
radiacin electromagntica. En unidades del sistema
internacional se mide en [W/m]. En electromagnetismo se
define la irradiancia como el valor de la intensidad
energtica promedio de una onda electromagntica en un
punto dado y se calcula como el valor promedio del vector
de Poynting. de la radiacin incidente.
La energa cintica de los electrones expulsados depende del material irradiado y de la frecuencia de la
radiacin incidente.
Cuando se produce la emisin de electrones, la cantidad de electrones expulsados es proporcional a la
irradiancia o intensidad de la radiacin incidente.
Estos hechos experimentales son los que,
posteriormente, se refundaron en el Efecto Fotoelctrico.
Figura 2: Albert Einstein (1879-1955). Fsico ms importante del
siglo XX de origen alemn, nacionalizado suizo y estadounidense.
En 1905 Albert Einstein explica el Efecto Fotoelctrico
basndose en la hiptesis de Planck, que la radiacin se
propagaba como cuantos de luz o fotones de energa igual a
hf, donde h es igual a 6,626 1034 [Js] y es conocida como constante de Planck) y que al interaccionar con un electrn
ligado a un metal mediante una funcin trabajo (la cual tiene como significado fsico el mnimo trabajo necesario
para desligar al electrn del metal), se pueden producir dos
situaciones:
1. Si < no existe efecto fotoelctrico. 2. Si > existe efecto fotoelctrico.
En el ltimo caso, por conservacin de la energa, se
debe cumplir que:
= +1
22 (1)
donde m es la masa del electrn y v la mxima velocidad
que adquiere el electrn.
Si se aplica un voltaje positivo al ctodo, los electrones
tienen que hacer trabajo contra el campo elctrico y
necesitan una energa cintica mayor que eV para alcanzar el
nodo. Este voltaje, V, se llama voltaje de frenado. Entonces
UNIVERSIDAD TCNICA FEDERICO SANTA MARA
CAMPUS SANTIAGO
LABORATORIO FIS 140
PRIMER SEMESTRE 2015
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cuando se aumenta el voltaje de frenado, se disminuye la
corriente hasta que ningn electrn llegue al nodo y la
corriente sea cero. En este punto se puede expresar la
energa de los electrones ms energticos como:
=1
22 (2)
donde e es la carga del electrn y V corresponde al voltaje
de frenado.
Reemplazando en la ecuacin (1) se tiene:
= (3)
El modelo experimental utilizado est basado en una
fotocelda compuesta de dos electrodos, un ctodo y un
nodo en vaco, ver Figura 3. El haz de fotones incidente en
el ctodo libera electrones por el efecto fotoelctrico,
algunos de estos electrones inciden sobre el nodo
generando una corriente que se mide con el ampermetro.
La fuente de voltaje variable se usa para aplicar el
voltaje de frenado, un voltaje positivo al ctodo. Se
encuentra este voltaje a travs de las terminales de la caja.
La caja tiene dos perillas, una para variar el voltaje de
frenado y otra para ajustar la intensidad del led.
Figura 3: Representacin de la celda fotoelctrica. El ctodo
emisor C, un alambre colector A (nodo) y el potencial de frenado
VF. La corriente IF corresponde a los electrones fotoemitidos que
han vencido el potencial de frenado.
El Marco Terico presentado aqu debe ser
complementado con el estudio de los siguientes textos:
Anexos:
- Anlisis y Teora del Error Experimental
Objetivos
Determinar la constante de Planck.
Determinar la funcin trabajo del ctodo de la celda fotoelctrica.
Determinar la frecuencia umbral en el efecto fotoelctrico.
Desarrollo Experimental
Determinar la constante de Planck
Hacer incidir sobre la celda uno de los colores
monocromticos provenientes de los led, como se muestra
en la Figura 4.
Ajustar el potencial de frenado hasta que la
fotocorriente sea cero. Lo que mide el multitester es voltaje,
la resistencia usada en el amplificador es de 200 [k].
Figura 4: Led verde, longitud de onda 520 530 [nm], apuntando sobre el ctodo de la fotocelda.
Realizar este procedimiento para cada uno de los leds,
registrando la frecuencia del led y el potencial de frenado en
el multimedidor.
Grafique la relacin funcional = () y realice un ajuste de tendencia lineal. Determine el valor de la constante
de Planck y su error porcentual, la funcin trabajo y la
frecuencia umbral.
Bibliografa
Sears, Zemansky, Young, Freedman. Fsica Universitaria Volumen II Electromagnetismo. Dcimo
primera edicin.
Serway. Fsica Tomo II. Cuarta edicin.
Tipler. Fsica para la Ciencia y la Tecnologa Volumen I1. Cuarta edicin.
Tipler, Mosca. Fsica para la Ciencia y la Tecnologa Volumen 2. Quinta edicin.
Resnick, Halliday, Krane. Fsica Volumen 2. Cuarta Edicin.
Giancoli. Fsica Principio con Aplicaciones. Sexta edicin.