Tema 12 Física cuántica
Efecto fotoeléctrico. Ciertas substancias emiten electrones cuando sobre ellas incide luz u otra radiación de gran frecuencia. Si se ilumina con luz ultravioleta la placa negativa (cátodo), dicha placa emite electrones que son atraídos por la placa positiva (ánodo), cerrándose el circuito de la batería, lo cual se observa en el amperímetro que indica el paso de la corriente. Al flujo de cargas a través del tubo se le llama corriente fotoeléctrica y a los electrones emitidos fotoelectrones. El amperímetro deja de indicar paso de corriente cuando la frecuencia f de la radiación incidente es inferior a un valor f0 característico del metal que forma el cátodo que se llama frecuencia umbral. Aumentando el potencial V dado por la batería en el dispositivo que estamos estudiando, aumenta el valor de la intensidad de la corriente I, hasta que dicha intensidad alcanza un valor Is que se mantiene constante para nuevos incrementos de la tensión. Potencial V0, (se genera cuando se cambia la polaridad) potencial de frenado, solo llegarán al segundo electrodo los fotoelectrones cuya energía cinética sea igual o mayor que eV0. ! = !!!; !!!á! = !!! =
!!!!!!á!! à siendo V0 el valor del potencial de frenado que
anula la corriente fotoeléctrica. El potencial de frenado aumenta al aumentar la frecuencia de la radiación, no depende de la intensidad de la radiación. Como e y V0 son conocidos, se puede determinar la energía cinética máxima, que para una determinada frecuencia, la energía cinética máxima de los fotoelectrones no depende de la intensidad de la luz incidente. Dicha energía cinética máxima si depende de la frecuencia, aumentando con ella.
Teoría fotónica de la luz. Einstein considera a la luz no como una radiación de frecuencia f, sino como una corriente de fotones (corpúsculos) de energía h·f. El fotón está caracterizado por su energía E y su cantidad de movimiento p=m·c, la onda por su frecuencia f, y su longitud de onda !. !! = ℎ!; !! = !ℎ!
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Interpretación del efecto fotoeléctrico Se interpreta de la siguiente manera: Cuando un fotón choca con un metal, es absorbido completamente y su energía E=hf pasa a uno de los electrones del metal. Para extraer dicho electrón es preciso que la energía del fotón sea superior a un valor umbral E0 necesario para vencer la unión del electrón con el núcleo. Esta valor umbral depende del metal correspondiente.
!!!á! =12!!!!á!! = !! − !! = ℎ! − ℎ!!; !! = ℎ!!
• Si E>E0 el electrón abandona el metal y la diferencia de energía se le comunica
en forma de energía cinética. • Si E<E0 no hay efecto fotoeléctrico.
A E0, mínima energía para liberar al electrón del metal, se le llama trabajo de extracción, función trabajo o energía umbral.
!! = ℎ!!; !"# !"#!$; ℎ! − ℎ!! = !! !"# El efecto fotoeléctrico ocurre instantáneamente, ya que el fotón cede su energía en un instante, solo a partir de una frecuencia umbral característica del metal y también por que la energía cinética máxima de los electrones emitidos al igual que el potencia de frenado no depende de la intensidad de la luz, sino de su frecuencia.
Espectros atómicos Si en un tubo de descarga se introducen vapores de un elemento químico a baja presión y se somete a una descarga eléctrica, emitirá energía en forma de radiación electromagnética que al hacerla pasar por un prisma, se genera el espectro de emisión del elemento. Es discontinuo o a rayas. También se puede obtener los espectros de absorción. Y también absorben únicamente determinadas frecuencias. Es lo que llamamos análisis espectral. Espectros atómicos 1! = !
1!! −
1!! ; ! = 1,2,3… ; ! > !
Principio de incertidumbre de Heisenberg ∆! · ∆! ≥
ℎ4! ; ∆! = ! · ∆!; ∆! · ∆! ≥
ℎ4!
