Practica 1
UNIVERSIDAD DISTRITAL DISTRITAL FRANSICO JOSE DE CALDAS FACULTAD TECNOLOGICA. EFECTO FOTOELECTRICO Cristian David Pinzón López 20152374014 NOMBRE2 CODIGO
INTRODUCCIÓN
electrones desde ellas. Este fenómeno, se conoce como efecto fotoeléctrico y los electrones emitidos reciben el nombre de fotoelectrones. [1]
Calcular la longitud de onda umbral, frecuencia umbral y la función trabajo para 5 materiales. Estudiar las características fundamentales para producir fotoelectrones. fotoelectrones.
la figura 1 es el diagrama de un aparato en el cual puede ocurrir el efecto fotoeléctrico. Además, en la figura 2 es una gráfica de la corriente fotoeléctrica versus la diferencia de potencial entre las placas E y C para dos intensidades lumínicas, para grandes valores de potencial, la corriente alcanza un valor máximo. [1]
OBJETIVO En este laboratorio podemos observar cómo se puede obtener fotoelectrones bajo la acción de un haz de luz que incide sobre una placa metálica. Esta luz puede ser ultravioleta, ultravioleta, visible o infrarroja. Para que el efecto fotoeléctrico ocurra se coloca dentro de un tubo a vacío una placa metálica llamado cátodo conectado al punto negativo de la fuente y una placa llamada ánodo conectada al polo positivo de la fuente, al iluminarse el cátodo entre este y el ánodo se produce una corriente denominada corriente fotovoltaica que se puede medir a través del galvanómetro, estas placas se conectan al vacío para garantizar que la corriente que se produzca sean los arrancados del metal a estos se les denomina f otoelectrones otoelectrones
MARCO TEÓRICO A finales del siglo XIX los experimentos mostraron que la luz incidente sobre ciertas superficies metálicas ocasionaba que se emitieran
Figura 1 (dispositivo (dispositivo experimenta experimentall efecto fotoeléctrico)) fotoeléctrico
1
Practica 1 electrón está ligado al metal, y es del orden de unos cuantos electrovolts.
Figura 2 (corriente (corriente vs potencial) potencial)
[1] Figura 3 (representa (representación ción de fotones) fotones)
Una explicación exitosa del efecto fotoeléctrico fue dada por Einstein en 1905, el mismo año en que publicó su teoría especial de la relatividad. Como parte de un artículo general sobre radiación electromagnética, por el cual recibió el premio Nobel en 1921, Einstein extendió el concepto de Planck de la cuantización a las ondas electromagnéticas. Supuso que la luz (o cualquier otra onda electromagnética) de frecuencia F puede considerarse como una corriente de fotones. Cada fotón tiene una energía E, dada por la ecuación: [1] E= hf
La observación experimental de una relación lineal entre f y K sería una confirmación final de la teoría de Einstein. La frecuencia se relaciona con la función de trabajo por medio de la relación: [1]
= ∅
(3)
La frecuencia de corte corresponde a una longitud de onda de corte de:
= = ∅
(1)
(4)
Uno de los primeros usos prácticos del efecto fotoeléctrico fue el detector en el medidor de luz de una cámara fotográfica. La luz reflejada desde el objeto que se va a fotografiar incide sobre una superficie fotoeléctrica en el medidor, y hace que ésta emita fotoelectrones que luego pasan por un amperímetro sensible. La magnitud de la corriente en el amperímetro depende de la intensidad luminosa. El fototubo, otra aplicación anticipada del efecto fotoeléctrico, actúa de manera muy parecida a un interruptor en un circuito eléctrico. Se produce una corriente en el circuito cuando la luz de frecuencia suficientemente alta cae sobre una
Una sugestiva imagen de varios fotones, que no debe tomarse de manera muy literal, se muestra en la figura 3. En el modelo de Einstein, un fotón estaba localizado de tal modo que daba toda su energía hf a un solo electrón en el metal. De acuerdo con Einstein, la energía cinética máxima para estos fotoelectrones liberados es
(2)
∅
Donde se llama función de trabajo del metal. La función de trabajo representa la energía mínima con la cual un
2
Practica 1 placa metálica en el fototubo, pero no produce corriente en la oscuridad. Los fototubos se usaron en alarmas antiasalto y en la detección de la pista sonora en las cintas cinematográficas. Ahora los modernos dispositivo dispositivos s semiconductores reemplazaron a los que se basaban en el efecto fotoeléctrico. [1]
Esta λ λ es la máxima longitud que se debe incidir sobre la placa metálica para que exista el efecto fotoeléctrico si esta longitud es mayor a este valor no se produce el efecto fotoeléctrico. fotoeléctrico. De la ec.4 vemos que la frecuencia es inversamente proporcional a la longitud de onda (λ), (λ), luego par que ocurra el efecto fotoeléctrico la frecuencia de la luz incidente debe ser mayor a una determinada frecuencia,
PROCEDIMIENTO Ejercicio 1: ¿Qué es la función trabajo? La función trabajo es la energía mínima con la cual un electrón está ligado al metal y es una característica del metal usado.
Adicione una columna a la Tabla 1 y complétala calculando la frecuencia máxima
La Tabla 1 muestra varios metales con su respectiva función trabajo ( ) y la longitud de onda umbral (λ). (λ).
ø
SOLUCION Para este caso se analizó la ecu.4 y se despejo el valor deseado en este caso es f por donde tenemos que
Tabla 1
=
(5)
valor de c=300.000.000 c=300.000.000m/s m/s Como λ ya lo tenemos en la tabla 1 tan solo queda reemplazar en la ecuación 5 ej=
( ) 310 = 2.6210− = 1.14510−
así sucesivamente con los demás datos. Ejercicio 2:
Use sodio (Na) y λ= λ= 800 nm en el simulador y comience a disminuir la λ, observe que la corriente (I) es cero. Luego disminuya λ hasta hasta llegar a la umbral del Na (λ= (λ = 525 nm) y observe como la I comienza aumentar, ósea que comenzara a aparecer fotoelectrones
3
Practica 1 viajando del ánodo al cátodo. Siga disminuyendo λ y mire como aumenta el número de fotoelectrone f otoelectrones s emitidos junto con la I. Complete la Tabla 2. Grafique
I vs para los cinco cinco metales, metales, pero pero en un solo plano cartesiano. Esto con el fin de que pueda comparar y sacar una conclusión de los resultados.
Tabla 2
I vs λ 1.8 1.6 1.4 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 -0.2
0
100
200 sodio
300
400 zinc
500 cobre
Ilustración 1
4
600 platino
700 calcio
800
900
Practica 1
Ejercicio 3:
como va aumentando la cantidad de fotoelectrones que viajan del cátodo al ánodo por consiguiente aumenta la corriente. Complete la siguiente Tabla 3.
¿Por qué la corriente que se genera por el efecto fotoeléctrico depende de la intensidad de la fuente de la luz?
Grafique la corriente en función de la intensidad. Para los cinco metales, pero en un solo plano cartesiano .
Use el Na con λ=100 λ=100 nm y la Intensidad al 0%. Aumente la intensidad y observe
Tabla 3
sodio intensidad % I (A)
0 0
20 0,18
intensidad % I (A)
0 0
20 0,173
40 0,351 Zinc 40 0,351
60 0,531
80 0,702
100 0,882
60 0,531
80 0,709
100 0,882
Cobre intensidad intensid ad %
0
20
40
60
80
100
I (A)
0
0,173
0,351
0,531
0,702
0,882
60 0,531
80 0,702
100 0,882
60 0,531
80 0,702
100 0,882
intensidad % I (A)
0 0
intensidad % I (A)
0 0
Platino 20 40 0,173 0,351 Calcio 20 40 0,18 0,351
intensidad vs I 1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 0
20 sodio
40 zinc
60 cobre
Ilustración 2
5
80 platino
100 calcio
120
Practica 1 Ejercicio 4: ¿Por qué la energía cinética máxima con que se emiten los fotoelectrones depende de la frecuencia f recuencia de la luz y no de su
intensidad? Usé el Na y su longitud de onda umbra λ=350 λ=350 nm y varié la intensidad de la lámpara sobre la placa metálica.
Tabla 4
sodio intensidad %
0
20
40
60
80
100
I (A)
0
0,061
0,119
0,179
0,239
0,298
Ejercicio 5:
310 − ℎ = 6.62610 ∗∗ − = 1.9810 −∗∗ 1 = 1.60210
Ahora varíe la longitud de onda (10 veces, pero para cada material) y calcule: 1. La longitud de onda de corte.
ℎ = 1240.82 ∗ 2402.8∗ ∗ = 1240 7 = 432
2. La energía cinética. 3. La rapidez de los fotoelectrones.
Ahora
Desarrolle estos tres puntitos para los cuatro materiales y complete la Tabla 5 tener en cuenta: para el primer apartado la ec.4
Para el segundo apartado tenemos que
donde h es la constante de Planck
ℎ = 6.62610− ∗
ℎ = ℎ 82 ∗ = 6.2 ℎ = 1240.200 = ℎℎ ∅ = 6.2 2.87 =−3.33 = 5.3410
para el segundo apartado tener en cuenta la ec.2 y para el tercer caso
= = √ = 9.1110−
(6)
se despeja la velocidad donde queda (7)
Con la ec.7 tenemos que
la masa del electrón es de
− ( 2 5. 3 410 = 9.1110− )
Ej 1:
= 1.0810/ 6
Practica 1 El procedimiento se sigue para todos los demás λ y materiales Tabla 5
k vs f 2E-18 1.5E-18 1E-18 5E-19 0 0
2E+15
4E+15
-5E-19 -1E-18 calcio
zinc
cobre
Ilustración 3
7
platino
sodio
Practica 1
CONCLUSIONES
.
BIBLIOGRAFÍA
[1] serway, «efecto fotoelectrico,» de isica para ciencias e ingenieria tomo II , McGRAW-HILL 5ta edicion, pp. 1295-1297.
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