EFECTO FOTOELECTRICO. Producción de corriente eléctrica a partir de LUZ

Transcripción

1 EFECTO FOTOELECTRICO Producción de corriente eléctrica a partir de LUZ

2 H.Hertz (1887): La luz facilita la descarga de esferas cargadas Lenard (1900): La luz arranca los electrones de los metales. Cómo?

3 Podemos considerar, desde el punto de vista energético, que los electrones de un metal se encuentran situados en un "pozo de energía", Para arrancar un electrón es necesario darle, por lo menos, la energía, W, que lo mantiene "ligado" al metal. No es posible arrancar ningún electrón si la "fuente" de energía externa no suministra al menos W 0.

4 Si disponemos de un mecanismo que suministre una energía, hν > W a los electrones del metal, éstos saldrán despedidos con una energía cinética, Ek= hν W Y los electrones con mayor energía cinética serán los que están ligados al material con una energía Wo: EKmax= h hν -Wo Wo = propiedadd del material: Función trabajo

5 Montaje Experimental para, estudiar cuantitativamente el Efecto Fotoeléctrico. M C Tubo al cual se le ha hecho vacío. Placas metálicas M y C cargadas C=colector. Incide Luz monocromática. Se aplica un voltaje V Salen electrones de M (fotocorriente) y llegan a C

6 Cómo depende la FOTOCORRIENTE del potencial V aplicado y de las características de la radiación incidente? (Intensidad, frecuencia) El Experimento: Se varia el voltaje y se registra la fotocorriente (i) para diferentes intensidades (I) y frecuencias υ de la radiación incidente y diferentes materiales M. Se observa que a mayor V aplicado mayor fotocorriente (i). Si V se hace negativo existe un V 0 tal que para V menor no se produce fotocorriente (Contravoltaje)

7 Observaciones experimentales: - Dependiendo del material de la placa, existe una frecuencia mínima υ para que exista FOTOCORRIENTE. Para frecuencias menores a la FRECUENCIA UMBRAL no se presenta fotocorriente. i υ1 υ0

8 recuencias mayores a la frecuencia mbral: recuencias menores a la frecuencia mbral:

9 2- Al aumentar V se produce CORRIENTE de SATURACION. 3- La fotocorriente es proporcional a la Intensidad incidente. 4- El contravoltaje depende de la frecuencia de la radiación incidente..

10 5- Energía cinética máxima depende de la frecuencia de la radiación incidente. (Experimento de Milikan) V 0 M 1 M 2 M 3 υ V 0 = a υ + b Contravoltaje vs. Frecuencia Corte en X = frecuencia umbral V 0 = Energía cinética máxima mv = ev0 V = Aυ + B

11 6- La emisión de fotoelectrones es instantánea. EXPLICACION CLASICA: Modelo clásico interacción radiación materia: Interacción de radiación electromagnética oscilante (ondas) con electrones libres

12 Características de modelo: K I 1- La amplitud del campo eléctrico es proporcional a la intensidad de la radiación: I E Los electrones salen del metal al recibir energía mayor que su energía de enlace al material. Interacción radiación- carga del e - E 0 Ae Ae E 0 I ½ Como la energía cinética de un oscilador es proporcional a Ae 2

13 Problemas clásicos: 1- Como clásicamente la energía cinética de los fotoelectrones depende de la intensidad de la radiación no se pueden explicar ni 4 ni 5 (Vo y Kmax dependen de υ ) 2-2 y 3 tampoco se explican. (i I, corriente de saturación) Clásicamente I afecta K, pero no al número de electrones (i) 3-1 y 6 tampoco se explican. (frecuencia umbral y emisión instantánea). Clásicamente si υ es pequeña, pero Ae grande, después de un tiempo, el electrón adquirirá suficiente energía para salir del material. EFECTO FOTOELECTRICO NO TIENE EXPLICACION CLASICA

14 Efecto Fotoelectrico Resumen roduccion de corriente electrica a artir de radiacion electromagnetica ariables: adiacion: Intensidad y frecuencia otocorriente: corriente (i), nergia cinetica aterial: Funcion Trabajo

15 Resultados experimentales - Frecuencia mbral i - Corriente de aturacion υ 1 υ 0 - Fotocorriente roporcional ntensidad de la adiacion - Contravoltaje epende de la recuencia de la adiación

16 5- EKmax de fotoelectrones proporcional a frecuencia de la radiación incidente. V M 0 1 M 2 M 3 υ V 0 = a υ + b Contravoltaje vs. Frecuencia 6- Emisión instantánea de fotoelectrones Modelo Clasico E 0 Ae Ae E 0 I ½ Como EK max de un oscilador es proporcional a Ae 2 EK I

17 Modelo corpuscular de Einstein e la Radiación Electromagnética "Über einen die Erzeugung und Verwandlung des Lichtes betreffenden heuristischen Gesichtspunk," pp Sobre la producción y transla luz, desde formación de un punto de vista heurístico

18 QUE DICE EINSTEIN? La concepción usual, de que la luz está distribuida continuamente en el espacio en el que se propaga, encuentra dificultades muy serias cuando uno intenta explicar los fenómenos fotoeléctricos, tal como los apuntó Lenard en su trabajo pionero. De acuerdo con el concepto de que la luz incidente consiste de cuantos de energía de magnitud igual al producto de la constante de Planck h por la frecuencia de la luz, uno puede concebir la expulsión de electrones por la luz de la manera siguiente:.

19 Cuantos de luz penetran la capa superficial del cuerpo y su energía se transforma, por lo menos en parte, en energía cinética de los electrones. La manera más sencilla de imaginar esto es que un cuanto de luz entrega toda su energía a un solo electrón; supondremos que esto es lo que sucede[...] Un electrón al que se le ha impartido energía cinética dentro del cuerpo habrá perdido parte de esta energía al tiempo que lleguee a la superficie. Además, supondremos que para poder escapar del metal el electrón tiene que hacer una determinada cantidad de trabajo, característico de la sustancia en cuestión.

20 De lo que me puedo cerciorar, no hay contradicción entre estas concepciones y las propiedades del efecto fotoeléctrico observadas (experimentalmente) por Lenard. Si cada cuanto de energía de la luz incidente, independientemente de todo lo demás, entrega toda su energía a un solo electrón, entonces la distribución de la energía cinética de los electrones expulsados será independiente de la intensidad de la luz incidente.

21 Interpretación del efecto fotoeléctrico bajo la perspectiva de Einstein EnV 0 el modelo de paquetes M de energía, 1 M 2 M 3 un electrón del metal o bien "absorbe" un paquete energético o bien se queda como está. Por tanto la energía final del electrón será; υ ev 0 = h υ + Wo Contravoltaje vs. Frecuencia EFECTO FOTOELECTRICO: COLISION ELECTRON- FOTON

22 CONCLUSIONES A PARTIR DE LA HIPOTESIS DE EINSTEIN: La energía cinética máxima de los electrones es independiente de la intensidad de la radiación. Un aumento de la intensidad implica un aumento del número de fotones incidiendo sobre los electrones, pero la energía de cada uno de ellos es siempre la misma, por tanto la máxima energía que adquieren los electrones no varía. Pleno acuerdo con la experiencia de Lenard.

23 2- Para cada material - para cada W 0 - existe una frecuencia, υ o, por debajo de la cual no es posible el efecto fotoeléctrico. Fotones con energia hυ o menor que Wo, no son capaces de extraer electrones del material. 3- Si utilizamos una radiación electromagnética de frecuencia adecuada, hυ o mayor que Wo, el efecto fotoeléctrico se comenzará a producir en el instante en que los fotones lleguen al metal, COLISION INSTANTANEA

24 M A X W E L L P L A N C K E I N S T E I La energía de la radiación EM es proporcional a la intensidad de la onda e independiente de la frecuencia La energía de la radiación EM es proporcional a la intensidad de la onda pero está limitada a múltiplos enteros de hν. La radiación EM está formada por "paquetes" quanta, fotones - de energía hν. La intensidad de la "onda" es una medida del número de fotones, N, y por tanto la energía total será proporcional a la intensidad, Nhν.

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