4)Consulta_Efecto fotoelectrico_Y_Dualidad_de_la_luz

UNIVERSIDAD TÉCNICA DE MACHALA
FACULTAD DE CIENCIAS QUÍMICAS Y DE LA SALUD
CARRERA DE BIOQUÍMICA Y FARMACIA
CONSULTA DE:
FÍSICA
NOMBRE:
DANIEL ISAÍAS BENÍTEZ DÁVILA
GUÍA:
FREDDY ALBERTO PEREIRA GUANUCHE
CURSO:
1º BIOQUÍMICA Y FARMACIA “B”
AÑO LECTIVO
2º13 – 2014
¿Qué es el efecto fotoeléctrico?
El efecto fotoeléctrico es el fenómeno en el que las partículas de luz llamadas fotón,
impactan con los electrones de un metal arrancando sus átomos. El electrón se mueve
durante el proceso, dado origen a una corriente eléctrica. Este fenómeno es
aprovechado en las plantas que utilizan paneles solares, los cuales reciben la energía
lumínica del sol transformándola en electricidad.
El efecto fotoeléctrico consiste en la emisión de electrones por un material cuando se
hace incidir sobre él una radiación electromagnética (luz visible o ultravioleta, en
general).
EFECTO FOTOELÉCTRICO
La emisión de electrones por metales iluminados con luz de determinada frecuencia
fue observada a finales del siglo XIX por Hertz y Hallwachs. El proceso por el cual se
liberan electrones de un material por la acción de la radiación se denomina efecto
fotoeléctrico o emisión fotoeléctrica. Sus características esenciales son:
•
Para cada sustancia hay una frecuencia mínima o umbral de la radiación
electromagnética por debajo de la cual no se producen fotoelectrones por más intensa
que sea la radiación.
•
La emisión electrónica aumenta cuando se incrementa la intensidad de la
radiación que incide sobre la superficie del metal, ya que hay más energía disponible
para liberar electrones.
En los metales hay electrones que se mueven más o menos libremente a través de la
red cristalina, estos electrones no escapan del metal a temperaturas normales porque
no tienen energía suficiente. Calentando el metal es una manera de aumentar su
energía. Los electrones "evaporados" se denominan termoelectrones, este es el tipo
de emisión que hay en las válvulas electrónicas.
Introducción
Los fotones tienen una energía característica
determinada por la frecuencia de onda de la
luz. Si un átomo absorbe energía de un fotón y
tiene más energía que la necesaria para
expulsar un electrón del material y además
posee una trayectoria dirigida hacia la
superficie, entonces el electrón puede ser
expulsado del material. Si la energía del fotón
es demasiado pequeña, el electrón es incapaz
de escapar de la superficie del material. Los cambios en la intensidad de la luz no
modifican la energía de sus fotones, tan sólo el número de electrones que pueden
escapar de la superficie sobre la que incide y por tanto la energía de los electrones
emitidos no depende de la intensidad de la radiación que le llega, sino de su
frecuencia. Si el fotón es absorbido, parte de la energía se utiliza para liberarlo del
átomo y el resto contribuye a dotar de energía cinética a la partícula libre.
Explicación
Los fotones del rayo de luz tienen una energía característica determinada por la
frecuencia de la luz. En el proceso de fotoemisión, si un electrón absorbe la energía de
un fotón y éste último tiene más energía que la función trabajo, el electrón es
arrancado del material. Si la energía del fotón es demasiado baja, el electrón no puede
escapar de la superficie del material.
Aumentar la intensidad del haz no cambia la energía de los fotones constituyentes,
solo cambia el número de fotones. En consecuencia, la energía de los electrones
emitidos no depende de la intensidad de la luz, sino de la energía de los fotones.
Los electrones pueden absorber energía de los fotones cuando son irradiados, pero
siguiendo un principio de "todo o nada". Toda la energía de un fotón debe ser
absorbida y utilizada para liberar un electrón de un enlace atómico, o si no la energía
es re-emitida. Si la energía del fotón es absorbida, una parte libera al electrón del
átomo y el resto contribuye a la energía cinética del electrón como una partícula libre.
Einstein no se proponía estudiar las causas del efecto en el que los electrones de
ciertos metales, debido a una radiación luminosa, podían abandonar el metal con
energía cinética. Intentaba explicar el comportamiento de la radiación, que obedecía a
la intensidad de la radiación incidente, al conocerse la cantidad de electrones que
abandonaba el metal, y a la frecuencia de la misma, que era proporcional a la energía
que impulsaba a dichas partículas.
Leyes de la emisión fotoeléctrica
1. Para un metal y una frecuencia de radiación incidente dados, la cantidad de
fotoelectrones emitidos es directamente proporcional a la intensidad de luz
incidente.
2. Para cada metal dado, existe una cierta frecuencia mínima de radiación
incidente debajo de la cual ningún fotoelectrón puede ser emitido. Esta
frecuencia se llama frecuencia de corte, también conocida como "Frecuencia
Umbral".
3. Por encima de la frecuencia de corte, la energía cinética máxima del
fotoelectrón emitido es independiente de la intensidad de la luz incidente, pero
depende de la frecuencia de la luz incidente.
4. La emisión del fotoelectrón se realiza instantáneamente, independientemente
de la intensidad de la luz incidente. Este hecho se contrapone a la teoría
Clásica:la Física Clásica esperaría que existiese un cierto retraso entre la
absorción de energía y la emisión del electrón, inferior a un nanosegundo.
Formulación matemática
Para analizar el efecto fotoeléctrico cuantitativamente utilizando el método
derivado por Einstein es necesario plantear las siguientes ecuaciones:
Energía de un fotón absorbido = Energía necesaria para liberar 1 electrón +
energía cinética del electrón emitido.
Algebraicamente:
,
que puede también escribirse como
.
Donde h es la constante de Planck, f0 es la frecuencia de corte o frecuencia
mínima de los fotones para que tenga lugar el efecto fotoeléctrico, Φ es la función
trabajo, o mínima energía necesaria para llevar un electrón del nivel de Fermi al
exterior del material y EK es la máxima energía cinética de los electrones que se
observa experimentalmente.
Nota: Si la energía del fotón (hf) no es mayor que la función de trabajo (Φ), ningún
electrón será emitido. Si los fotones de la radiación que inciden sobre el metal
tienen una menor energía que la de función de trabajo, los electrones del material
no obtienen suficiente energía como para emitirse de la superficie metálica.
En algunos materiales esta ecuación describe el comportamiento del efecto
fotoeléctrico de manera tan sólo aproximada. Esto es así porque el estado de las
superficies no es perfecto (contaminación no uniforme de la superficie externa).
Dualidad onda-partícula.
Teoría de De Broglie
En el mundo macroscópico resulta muy evidente la diferencia entre una partícula y una
onda; dentro de los dominios de la mecánica cuántica, las cosas son diferentes. Un
conjunto de partículas, como un chorro de electrones moviéndose a una determinada
velocidad puede comportarse según todas las propiedades y atributos de una onda, es
decir: puede reflejarse, refractarse y difractarse.
Por otro lado, un rayo de luz puede, en determinadas circunstancias, comportarse
como un chorro de partículas (fotones)con una cantidad de movimiento bien definida.
Asi, al incidir un rayo de luz sobre la superficie lisa de un metal se desprenden
electrones de éste (efecto fotoeléctrico). La energía de los electrones arrancados al
metal depende de la frecuencia de la luz incidente y de la propia naturaleza del metal.
Según la hipótesis de De Broglie, cada partícula en movimiento lleva asociada una
onda, de manera que la dualidad onda-partícula puede enunciarse de la siguiente
forma: una partícula de masa m que se mueva a una velocidad v puede, en
condiciones experimentales adecuadas, presentarse y comportarse como una onda de
longitud de onda, λ. La relación entre estas magnitudes fue establecida por el físico
francés Louis de Broglie en 1924.
cuanto mayor sea la cantidad de movimiento (mv) de la partícula menor será la
longitud de onda (λ), y mayor la frecuencia (ν) de la onda asociada.
Su trabajo decía que la longitud de onda \lambda de la onda asociada a la materia era
donde h es la constante de Planck y p es el momento lineal de la partícula de materia.