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Efecto fotoeléctrico

Educación secundaria superiorFísicaEcuación fotoeléctrica de Einstein K = hf - φ en una fotocélula de vacío

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Acerca de este experimento

Cuando la luz incide sobre un metal limpio, puede arrancar electrones de su superficie. La sorpresa, explicada por Einstein en 1905, es que el color de la luz determina si esto ocurre, no su brillo. La luz llega en paquetes llamados fotones, cada uno con una energía hf. Un fotón solo puede liberar un electrón si su energía es mayor que la función de trabajo del metal; la energía sobrante se convierte en energía cinética del electrón. Cambia la longitud de onda, el brillo, el metal y el voltaje, y mide el voltaje de frenado para hallar por ti mismo la constante de Planck.

Objetivos de aprendizaje

  • Describe el efecto fotoeléctrico y el concepto de frecuencia umbral.
  • Usa E = hf para hallar la energía de un fotón a partir de su frecuencia o longitud de onda.
  • Aplica la ecuación fotoeléctrica K_max = hf - φ.
  • Explica por qué el voltaje de frenado depende de la frecuencia, pero no de la intensidad.
  • Explica por qué el efecto fotoeléctrico respalda el modelo corpuscular de la luz.

Cómo usarlo

  1. 1Observa los electrones con sodio y luz de 400 nm. Ahora aumenta lentamente la longitud de onda. ¿A qué longitud de onda dejan de emitirse?
  2. 2Establece una longitud de onda que libere electrones y cambia la intensidad. ¿Qué cambia: el número de electrones, su velocidad o ambas cosas?
  3. 3Haz que el voltaje del colector sea cada vez más negativo hasta que la corriente llegue justo a cero. Compara este voltaje de frenado con la energía cinética máxima.
  4. 4Mide el voltaje de frenado a 250, 300, 350 y 400 nm. Represéntalo en función de la frecuencia y halla la pendiente.
  5. 5Cambia a «Energía y frecuencia». ¿Por qué todas las rectas tienen la misma pendiente?
  6. 6Prueba el zinc con luz visible y después con luz ultravioleta. ¿Qué metales servirían en un fotómetro para luz visible?

El modelo

Energía de un fotón; con λ en nm, E en eV es aproximadamente 1240 / λ
Ecuación fotoeléctrica de Einstein: la función de trabajo φ es la energía mínima necesaria para liberar un electrón
La tensión de frenado detiene incluso a los electrones más rápidos
Frecuencia umbral: por debajo de ella no se liberan electrones, por muy brillante que sea la luz

Supuestos

  • Cada fotón libera como máximo un electrón, y una pequeña fracción fija de los fotones por encima del umbral libera un electrón, por lo que la corriente de saturación es proporcional a la intensidad.
  • Los electrones liberados tienen energías cinéticas distribuidas uniformemente entre cero y K_max, por lo que la corriente disminuye en línea recta al aumentar la tensión de frenado.
  • Ambas placas están en el vacío. Se ignoran el potencial de contacto entre los dos metales y cualquier corriente a voltajes positivos por encima de la saturación.
  • Las funciones de trabajo son valores típicos de superficies limpias; las superficies reales varían unas décimas de electronvoltio.

Pruébalo en clase

  1. Q1¿Por qué una lámpara roja muy brillante no libera electrones del zinc, mientras que una lámpara ultravioleta tenue sí lo hace?
  2. Q2Una luz de longitud de onda de 300 nm incide sobre calcio (φ = 2,87 eV). ¿Cuál es el potencial de frenado?
  3. Q3Si se duplica la intensidad, ¿qué ocurre con la corriente de saturación y con el potencial de frenado?
  4. Q4¿Por qué no tienen todos los electrones la misma energía cinética, incluso cuando la luz tiene una sola longitud de onda?
  5. Q5El modelo ondulatorio predice que la luz tenue tardaría un tiempo en acumular suficiente energía para liberar un electrón. ¿Por qué no se observa tal retraso?

Preguntas frecuentes

¿Qué es la función de trabajo?

Es la energía mínima necesaria para arrancar un electrón de la superficie de un metal. Los electrones situados a mayor profundidad dentro del metal necesitan más energía, por lo que los electrones liberados tienen un intervalo de energías cinéticas que llega hasta K_max.

¿Cómo puedo hallar la constante de Planck con este experimento?

Mida el potencial de frenado para varias longitudes de onda, convierta las longitudes de onda en frecuencias y represente eV frente a f. La pendiente de la recta es h, aproximadamente 4,14 × 10⁻¹⁵ eV s o 6,63 × 10⁻³⁴ J s.

¿Por qué la corriente es la misma para todos los voltajes positivos?

Una vez que el colector tiene carga positiva, todos los electrones liberados llegan a él, por lo que la corriente está limitada por la cantidad de electrones que se liberan cada segundo. Esa cantidad depende de la intensidad de la luz, no del voltaje.