Download Presentación de PowerPoint

EFECTO
FOTOELECTRICO
Producción de
corriente eléctrica a
partir de LUZ
H.Hertz (1887): La luz facilita la
descarga de esferas cargadas
Lenard (1900): La luz ‘arranca’
los electrones de los metales.
Cómo?
Podemos considerar, desde el punto de
vista energético, que los electrones de
un metal se encuentran situados en un
"pozo de energía",
Para arrancar un electrón es necesario
darle, por lo menos, la energía, W, que
lo mantiene "ligado" al metal. No es
posible arrancar ningún electrón si la
"fuente" de energía externa no
suministra al menos W0.
Si disponemos de un mecanismo
que suministre una
energía ,
h > W a los electrones del
metal,
éstos
saldrán
despedidos con una energía
cinética,
Ek= h – W
Y los electrones con mayor
energía cinética serán los que
están ligados al material con
una energía Wo:
EKmax= h -Wo
Wo = propiedad del material:
Función trabajo
Montaje Experimental para,
estudiar cuantitativamente el
Efecto Fotoeléctrico.
M
C
Tubo al cual se le ha hecho vacío.
Placas metálicas M y C cargadas
C=colector.
Incide Luz monocromática.
Se aplica un voltaje V
Salen electrones de M (fotocorriente)
y llegan a C
Cómo depende la FOTOCORRIENTE
del potencial V aplicado y de las
características
de
la
radiación
incidente? (Intensidad, frecuencia)
El Experimento:
Se varia el voltaje y se registra la
fotocorriente (i) para diferentes
intensidades (I) y frecuencias  de
la radiación incidente y diferentes
materiales M. Se observa que a
mayor
V
aplicado
mayor
fotocorriente (i). Si V se hace
negativo existe un V0 tal que para V
menor no se produce fotocorriente
(Contravoltaje)
Observaciones experimentales:
1- Dependiendo del material de la placa
M, existe una frecuencia mínima
para que exista FOTOCORRIENTE.

Para frecuencias menores a
FRECUENCIA UMBRAL
no
presenta fotocorriente.
i

1

0
la
se
Frecuencias mayores a la frecuencia
umbral:
Frecuencias menores a la frecuencia
umbral:
2- Al aumentar V
se produce
CORRIENTE de SATURACION.
3- La fotocorriente es proporcional
a la Intensidad incidente.
4- El contravoltaje depende de la
frecuencia de la radiación incidente..
5- Energía cinética máxima depende
de la frecuencia de la radiación
incidente. (Experimento de Milikan)
V0
M1 M2 M3

V0 = a  + b
Contravoltaje vs. Frecuencia
Corte en X = frecuencia umbral
V0 = Energía cinética máxima.
1
2
mV  eV0  A  B
2
6- La emisión de fotoelectrones es
instantánea.
EXPLICACION CLASICA:
Modelo clásico interacción
radiación materia:
Interacción de radiación
electromagnética oscilante
(ondas) con electrones libres
Características de modelo:
1- La amplitud del campo eléctrico es
proporcional a la intensidad de la
radiación:
I  |E0 | 2
2- Los electrones salen del metal al
recibir energía mayor que su energía
de enlace al material.
Interacción radiación- carga del e-
E0
Ae
Ae  |E0 |  I ½
Como la energía cinética de un oscilador
es proporcional a |Ae|2
K I
Problemas clásicos:
1- Como clásicamente la energía
cinética de los fotoelectrones
depende de la intensidad de la
radiación no se pueden explicar ni 4
ni 5 (Vo y Kmax dependen de  )
2- 2 y 3 tampoco se explican. (i  I,
corriente
de
saturación)
Clásicamente I afecta K, pero no al
número de electrones (i)
3- 1 y 6 tampoco se explican.
(frecuencia
umbral
y
emisión
instantánea). Clásicamente si  es
pequeña, pero Ae grande, después de
un tiempo, el electrón adquirirá
suficiente energía para salir del
material.
EFECTO FOTOELECTRICO NO
TIENE EXPLICACION CLASICA
Efecto Fotoelectrico
Resumen
Produccion de corriente electrica a
partir de radiacion electromagnetica
Variables:
Radiacion: Intensidad y frecuencia
Fotocorriente: corriente (i),
energia cinetica
Material: Funcion Trabajo
Resultados experimentales
1- Frecuencia
Umbral
2- Corriente de
saturacion
3- Fotocorriente
proporcional
Intensidad de la
radiacion
4- Contravoltaje
depende de la
frecuencia de la
radiación
i

1

0
5EKmax de
fotoelectrones
proporcional a
frecuencia de
la
radiación
incidente.
V0
M 1 M2
M3

V0 = a  + b
Contravoltaje vs. Frecuencia
6- Emisión instantánea de
fotoelectrones
Modelo Clasico
E0
Ae
Ae  |E0 |  I ½
Como EK max de un oscilador es
proporcional a |Ae|2
EK  I
Modelo corpuscular de Einstein
de la Radiación Electromagnética
"Über einen die Erzeugung
und Verwandlung des Lichtes
betreffenden heuristischen
Gesichtspunk," pp.132-148
Sobre la producción y transformación de la luz, desde un
punto de vista heurístico
QUE DICE EINSTEIN?
‘La concepción usual, de que la luz
está distribuida continuamente en el
espacio en el que se propaga,
encuentra dificultades muy serias
cuando uno intenta explicar los
fenómenos fotoeléctricos, tal como
los apuntó Lenard en su trabajo
pionero.
De acuerdo con el concepto de que la
luz incidente consiste de cuantos de
energía de magnitud igual al producto
de la constante de Planck h por la
frecuencia de la luz, uno puede
concebir la expulsión de electrones
por la luz de la manera siguiente:.
Cuantos de luz penetran la capa
superficial del cuerpo y su energía se
transforma, por lo menos en parte, en
energía cinética de los electrones.
La manera más sencilla de imaginar
esto es que un cuanto de luz entrega
toda su energía a un solo electrón;
supondremos que esto es lo que
sucede[...]
Un electrón al que se le ha impartido
energía cinética dentro del cuerpo
habrá perdido parte de esta energía
al tiempo que llegue a la superficie.
Además, supondremos que para poder
escapar del metal el electrón tiene
que hacer una determinada cantidad
de trabajo, característico de la
sustancia en cuestión.
De lo que me puedo cerciorar, no
hay contradicción entre estas
concepciones y las propiedades del
efecto fotoeléctrico observadas
(experimentalmente) por Lenard.
Si cada cuanto de energía de la luz
incidente, independientemente de
todo lo demás, entrega toda su
energía a un solo electrón, entonces
la distribución de la energía
cinética
de
los
electrones
expulsados será independiente de
la intensidad de la luz incidente.
Interpretación del efecto
fotoeléctrico bajo la perspectiva de
Einstein
EnV0el modelo de paquetes
energía,
M1 M2de M
3
un electrón del metal o bien "absorbe"
un paquete energético o bien se queda
como está. Por tanto la energía final
del electrón será;

eV0 = h  + Wo
Contravoltaje vs. Frecuencia
EFECTO FOTOELECTRICO:
COLISION ELECTRON- FOTON
CONCLUSIONES A PARTIR DE LA
HIPOTESIS DE EINSTEIN:
• La energía cinética máxima de los
electrones es independiente de la
intensidad de la radiación.
Un aumento de la intensidad
implica un aumento del número de
fotones incidiendo sobre los
electrones, pero la energía de
cada uno de ellos es siempre la
misma, por tanto la máxima
energía
que
adquieren
los
electrones no varía.
Pleno acuerdo con la experiencia de
Lenard.
2- Para cada material - para cada W0
- existe una frecuencia, o , por
debajo de la cual no es posible el
efecto fotoeléctrico.
Fotones con energia ho menor que
Wo, no son ‘capaces’ de extraer
electrones del material.
3- Si utilizamos una radiación
electromagnética de frecuencia
adecuada, ho mayor que Wo, el
efecto fotoeléctrico se comenzará
a producir en el instante en que los
fotones lleguen al metal,
COLISION INSTANTANEA
M
A
X
W
E
L
L
P
L
A
N
C
K
La energía de la radiación EM es
proporcional a la intensidad de la
onda e independiente de la
frecuencia
E
I
N
S
T
E
I
N
La radiación EM está formada por
"paquetes" – quanta, fotones - de
energía h. La intensidad de la
"onda" es una medida del número
de fotones, N, y por tanto la
energía total será proporcional a la
intensidad, Nh.
La energía de la radiación EM es
proporcional a la intensidad de la
onda pero está limitada a múltiplos
enteros de h.
efecto fotoelectrico
simulacion
Efecto Compton
(1922)
Interacción de radiación
electromagnética con una
partícula libre cargada.
ePredicciones clásicas:
A- Los electrones deben acelerarse
en la dirección de la radiación
incidente.
B- La radiación incidente obliga a los
electrones a oscilar con una
frecuencia igual a la del campo
eléctrico.
El experimento:
Los resultados:
o
s


-Los electrones no se aceleran en
la dirección de la radiación
incidente.
-El haz dispersado presenta dos
longitudes de onda: la original o
y otra mayor s : Corrimiento
Compton: s -o
-El corrimiento Compton depende
del ángulo de dispersión 
-efecto compton
Explicación mediante el
modelo corpuscular de la
radiación:
Rayos X: fotones de energía h
y cantidad de movimiento h/c .
Realizan colisiones uno-uno con
los electrones libres del blanco.
Se conserva cantidad de
movimiento y energía total.
El fotón cede parte de su
energía al electrón (EKe ) y
disminuye
su
frecuencia
(aumenta  )
-
Cuanto vale el corrimiento
ho/c
o
a

Compton?
b
hs/c 
mv
Conservación de P:
ho/c = hs/c +mv
(1)
Conservación de Energía:
ho+moC2 = hs +mc2
(2)
Del triángulo oab:
(mv)2 = (ho/c)2 + (hs/c)2
-(2 h2os/c2) cos  (3)
O equivalentemente:
(mvc)2 = (ho)2 + (hs)2
-(2 h2os) cos 
(4)
Elevando (2) al cuadrado:
(mc2 )2 = ( ho )2 + (hs)2 +(m0c2 )2
-2 h2os -2 h m0c2 (o - s)
(5)
Restando
estas dos:
m2c4 (1- v
2
/c2 )2 = m02c4
-2 h2os(1-cos ) -2hm0c2 (o - s)
Pero, por TER
m2c4 (1- v 2 /c2 )2 = m02c4
Entonces
h/m0c(os(1-cos )= c (o - s)
O, dividiendo por o
h/m0c(1-cos )= c/ –c/ o
En términos de , c=  
h/m0c(1-cos )= s–o = 
  = corrimiento COMPTON
h/m0c = 0.0242 Å = c
  = c (1-cos )
reproduce resultados experimentales
Por conservación de energía:
h  o - h  s = EK