Determinación de h/e. Efecto fotoeléctrico. Heinrich Hertz 1887 descubrió el efecto fotoeléctrico cuando llevaba a cabo experimentos para verificar la existencia de ondas electromagnéticas predichas por Maxwell. 1888 Wilhem Hallwachs mostró que solamente cargas negativas son emitidas en el efecto fotoeléctrico. 1899 Phillip Lenard y J.J. Thompson mostraron que la emisión fotoeléctrica era debida a electrones. 1902 Phillip Lenard descubrió la frecuencia umbral para la existencia del efecto fotoeléctrico y que la energía cinética de los fotoelectrones es independiente de la intensidad de la luz incidente. 1905 Albert Einstein introduce la explicación cuántica del efecto fotoeléctrico y anuncia la teoría especial de la relatividad. PN 1921 "for his contributions to mathematical physics, and specially for his discovery of the law of the photoelectric effect".
Determinación de h/e. Elster y Geitel (1889-1892) Efecto fotoeléctrico. Un aparato adecuado para estudiar el efecto fotoeléctrico es el de la figura. I ( ) i e c A V
Departamento de Física Página-3 https://phet.colorado.edu/es/simulation/legacy/photoelectric
Departamento de Física Página-4 A B - 10 V + 1) Cuál es la diferencia de potencial entre A y B? a) 10 V b) 0 V c) Infinitos V
Departamento de Física Página-5 A B - 10 V + 2) Si la diferencia de potencial entre A y B es 10 V. Cuanta energía gana un electrón cuando va de A hasta B? a) 1,6 x10-18 J b) 10 ev c) Ambas respuestas son correctas d) Ninguna es correcta
Departamento de Física Página-6 A B - 10 V + 2 ohms 3) Cuál es la corriente que circula desde A hasta B? a. 0 amps, b. 5 amps, c. 0.2 amps
i i i i Departamento de Física Placa caliente. Algunos electrones adquieren energía suficiente para salir del metal. Página-7 Cuál curva representa la corriente (i) vs la tensión que suministra la batería (V)? A 0 V B 0 V C 0 V D 7 0 V
i Departamento de Física Respuesta correcta C V ir!! 0 V Página-8 Los electrones se aceleran más cuando aumenta la diferencia de potencial, pero el número de electrones que llegan se mantiene constante. NO hay flujo de electrones. Diode de vacío (ó válvula termoiónica). Componente electrónico antiguo.
i Departamento de Física Metal Electrones Página-9 Si pensamos a la onda desde el punto de vista clásico, podemos suponer que agregamos energía en el plato, éste se calienta y se comporta como un diodo C 0 V 9
Departamento de Física Predicciones clásicas Predicciones clásicas Página-10 Los electrones pueden absorber energía continuamente de las ondas electromagnéticas. Al aumentar la intensidad los electrones deben ser eyectados con más energía cinética. A bajas intensidades luminosas debería existir un intervalo de tiempo medible desde que se comienza a iluminar el metal hasta que los electrones adquieren suficiente energía para ser eyectados. Los electrones pueden ser emitidos a cualquier frecuencia si la intensidad es suficientemente alta. La energía cinética debería estar relacionada con la intensidad de la luz.
Departamento de Física Simulaciones con PhET Página-11 i = corriente V = tensión batería I = intensidad luminosa f = frecuencia =longitud de onda Exploremos i vs (ó f) (comenzando desde la zona de ultrarojo) con I = 100 %
i (A) i(a) Departamento de Física Página-12 Exploremos i vs (ó f) (comenzando desde la zona de ultrarojo) con I = 100 % Intensidad luminosa constante Intensidad Luminosa constante 1,5 1,5 1,0 max 1,0 f mínima 0,5 0,5 0,0 200 300 400 500 600 700 (nm) 0,0 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 Frecuencia (10 15 Hz) Para una dada superficie hay una longitud de onda máxima (frecuencia mínima) para la que se puede liberar electrones, luz con longitud de onda más larga no puede liberar electrones, no importa cuan intensa sea la radiación ni cuanto tiempo actúe.
Corriente Cómo varía la corriente con la intensidad luminosa? Variar I (para una que extraiga electrones y un V fjos) Frecuencia y V > 0, fijos Intensidad Si luz de una determinada longitud de onda es capaz de liberar electrones de una superficie, la corriente eléctrica es directamente proporcional a la intensidad de la luz.
i Departamento de Física Página-14 Exploremos i vs V para una capaz de remover electrones (para I constante). Probar con dos intensidades diferentes. Intensidad alta Intensidad baja Potencial de frenado: Independiente de la intensidad luminosa Corriente depende de la I 0 14 V
Departamento de Física Determinación de h/e. Efecto fotoeléctrico. Página-15 En un experimento real veríamos algo así: Aún con V negativos, la corriente no se hace cero, lo que implica que los electrones son emitidos con energía cinética. V 0 = potencial de frenado V 0
Potencial de frenado no depende de la intensidad luminosa
Ec Initial max Departamento de Física Página-17 Exploremos para dos frecuencias distintas cómo varía i vs V (manteniendo I cte) i Cómo varía la E cinética máx. (potencial de frenado) con la frecuencia? 2 1 D V 0 Frecuencia Potencial de frenado (energía cinética máxima) varía con la frecuencia. Frecuencia umbral
En resumen Dependencia de la energía cinética de los fotoelectrones con la intensidad luminosa. Predicción clásica. Los electrones pueden absorber energía continuamente de las ondas electromagnéticas. Al aumentar la intensidad los electrones deben ser eyectados con más energía cinética. Resultados experimentales. La máxima energía cinética es independiente de la intensidad luminosa. La máxima energía cinética es proporcionala la frecuencia de la luz incidente (para ferecuencia superiores a una de corte).
En resumen Intervalo de tiempo entre la incidencia de la luz y la eyección de fotoelectrones. Predicción clásica. A bajas intensidades luminosas debería existir un intervalo de tiempo medible desde que se comienza a iluminar el metal hasta que los electrones adquieren suficiente energía para ser eyectados. Resultados experimentales. La eyección de fotoelectrones ocurre simultaneamente con la iluminación.
En resumen. Dependencia de la eyección de electrones con la frecuencia de la luz. Predicción clásica. Los electrones pueden ser emitidos a cualquier frecuencia si la intensidad es suficientemente alta. Resultados experimentales. No se emiten electrones si la frecuencia de la radiación incidente está debajo de un valor umbral. La frecuencia de corte es característica del material que es iluminado.
En resumen Dependencia de la energía cinética de los electrones de la frecuencia de la luz. Predicción clásica. La energía cinética debería estar relacionada con la intensidad de la luz. Resultados experimentales. La energía cinética máxima de los electrones depende linealmente de la frecuencia de la luz.
Departamento de Física Determinación de h/e. Explicación de Einstein (1905) Efecto fotoeléctrico. Física Cuántica Curso 2016 Clase 3 Página 22 Einstein postuló que la radiación electromagnética existía siempre en estos paquetes de energía, que conservaban su identidad toda la vida y que interactuaban con la materia como un todo. h e = 0 1 mv 2 2 max : función trabajo Energía mínima necesaria para liberar a los electrones menos ligados. : potencial de contacto Millikan, en 1916 hizo mediciones precisas de como dependía la energía cinética máxima de los electrones de la frecuencia de la radiación. Lo hizo midiendo el potencial necesario para frenar a los electrones: evs = 1 mv 2 2 max h 0 e = Vs
Departamento de Física Determinación de h/e. Efecto fotoeléctrico. Física Cuántica Curso 2016 Clase 3 Página 23 e e e c ev m e e e c ev m ev m = e + ev + c s e e V m = h c e h e = e V s Reemplazando V s
Departamento de Física Determinación de h/e. Efecto fotoeléctrico. h e = e V s V m ev h = c e m = e + ev + c Física Cuántica Curso 2016 Clase 3 Página 24 s e e e c c A V m h e V V V c
Determinación de h/e. Efecto fotoeléctrico Milikan en 1916 a partir de estos resultados determinó un valor de h = 6.57 x 10-34 J.s
Nuestro Experimento: Determinación de h/e. Efecto fotoeléctrico. Método 1: Aparato PASCO para determinación de h/e Fotocelda Lámpara de Hg Red de difracción Amplificador V A m p V
Departamento de Física Página-27 Pendiente: h/e
Departamento de Física Página-28 Método 2: Medida de i vs V frenado Similar a este: En lugar del Amp. Hay una R y se mide caida de pot. en R A 9 V 9 V 1 k 1 k 1 k 100 k V V variando entre -3 y 3 V
Departamento de Física 0 Página-29 i 0 = 18V/3k = 6mA 9 V 9 V 1 k 1 k 1 k i 0 V 10 = V 1 -V 0 ; -3V V 3V i = V 20 /R V M = V 10 -V 20 =V 12 1 100 k Medimos V 20 y V 10 i V M = V 10 -V 20 =V 12 2 0 V 20 es proporcional a i emisor colector
Departamento de Física Página-30 Un esquema simplificado de este circuito sería el siguiente:
V 20 (V) Departamento de Física Página-31 Graficamos V 20 vs V 12 Cuando V 20 = 0 (i=0) y 0,25 0,20 0,15 0,10 amarillo verde azul Violeta UV V M = V 12 = V 10 =V m V m h = c e 0,05 0,00-1 0 1 2 3 V 12 (V)
Departamento de Física Actividad previa al experimento: 1- Cuál es el objetivo del experimento? Página-32 Método 1: 2- Describa el dispositivo experimental 3- Qué magnitudes medirá en forma directa y con qué instrumentos medirá? 3- Cuáles son los fundamentos teóricos que le permitirán obtener la magnitud que desea determinar a partir de las medidas?. Método 2: 4- Describa el dispositivo experimental 5- Qué magnitudes medirá en forma directa y con qué instrumentos medirá? 6- Cómo va a determinar el potencial de frenado a partir de las medidas realizadas? 7- Cuál es el valor esperado para h/e? y para h?