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

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CAMPUS SANTIAGO

LABORATORIO FIS 140

PRIMER SEMESTRE 2015

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.

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