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L'efecte fotoelèctric

A finales del siglo XIX se descubrió el efecto fotoelectrico: La emisión de electrones producida cuando la luz incide sobre una superficie metálica.

El efecto fotoelectrico presenta una característica que no puede ser explicada por el electromagnetismo de Maxwell: se produce efecto fotoeléctrico si la frecuencia de la luz incidente es suficientemente grande, independientemente de cual sea su intensidad. La frecuencia umbral a partir de la cual la luz es capaz de arrancar electrones depende del metal de que se trate. Si la frecuencia de luz que incide sobre un metal es menor que la frecuencia umbral, no se produce efecto fotoeléctrico, aunque la intensidad de luz sea muy elevada. Sin embargo, cuando la frecuencia de la luz que incide sobre el metal es mayor que la frecuencia umbral, siempre se produce efecto fotoelectrico, aún cuando la intensidad de la luz sea muy pequeña.

¡Una pequeña cantidad de energía luminosa de alta frecuencia consigue lo que no puede una gran cantidad de energía luminosa de baja frecuencia! ¿Cómo es ésto posible?

Albert Einstein finally encontró la explicación en 1905: La energía de la luz está agrupada en paquetes llamados fotones. La energía de cada fotón es proporcional a la frecuencia f de la luz. La constante de proporcionalidad es la constante de Plank h = 6.0626EXP-34. Para extraer un electrón del metal es necesaria una cantidad mínima de energía, llamada función trabajo W, que depende el metal de que se trate. Si la energía del fotón es mayor que este valor, el electrón es emitido. La máxima energía cinética EcMAX con la que puede ser emitido un electrón es la diferencia entre la energía del fotón incidente hf y la función trabajo W:

Este applet simula un experimento para determinar la constante de Planck y la función trabajo. Luz de una frecuencia determinada (procedente de las líneas espectrales de una lampara de mercurio) incide en el cátodo C de una célua fotoelectrica y origina (o no) la emisión de electones. Para determinar la energía cinética máxima de los electrones emitidos utilizamos un potencial de frenado (diferencia de potencial que se opone a que los electrones llegen al ánodo A). El medidor azul indica el potencial de frenado y el medidor rojo la cantidad de electrones que llegan al ánodo.

El panel de la parte derecha permite variar el material del cátodo, la longitud de onda de la luz y el potencial de frenado. Los valores indicados hacen referencia a la frecuencia de la luz, la energía de un fotón, la función trabajo y la máxima energía cinética del electrón emitido.

Si para un potencial de frenado U no llegan electrones al ánodo, ello quiere decir que la energía cinética máxima con la que son emitidos los electrones es eU, siendo e el valor absoluto de la carga del electrón. Se satisface que

Procedimiento:

• Se selecciona un cátodo y la luz de mayor longitud de onda (yelow 578nm)
• Si no se produce efecto fotoeléctrico, debajo de los medidores aparece el mensage "The energy of a photon is not enough for the emission of an electron" entonces es necesario aumentar la frecuencia hasta que se produzca efecto fotoelectrico (no cambies de cátodo).
• Cuando se produce efecto fotoelectrico, debajo de los medidores aparece el mensage "Increase the retarding voltage so much that no more electrons reach the anode" Conforme incrementes el potencial de frenado (medidor azul) observaras que la cantidad de electrones que llegan al ánodo (medidor rojo) disminuye. Cuando no llega ningún fotón al ánodo, debajo de los medidores aparece el mensage "Go ahead with a new measurement for another spectral line" y en la gráfica potencial de frenado frente a frecuencia se marca un punto.
• Al volver a realizar el experimento (sin cambiar de cátodo) con una luz de menor longitud de onda (mayor frecuencia) observas que el potencial de frenado necesario es mayor. Al repetir el experimento más veces observas que en la gráfica potencial de frenado frente a frecuencia los puntos se distribuyen en línea recta (cuando has realizado el experimento con todas las frecuencias disponibles, aparece dibujada la recta correspondiente).
• Si realizas el experimento con otro cátodo puedes comprobar que la nueva recta que obtienes en la gráfica potencial de frenado frente a frecuencia es paralela a la anterior.

La pendiente de las rectas obtenidas permite determinar la constante de Planck ya que corresponde a h/e y e es una magnitud conocida. Por otra parte, el valor de la función trabajo, expresado en eV, corresponde al punto de intersección de la recta con el eje de potenciales.

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