Fotoelectrones Faltante PDF

Preview

Summary

ninguna...

Description

J. Sci. Eng. Phys.-Año I, No 1, septiembre de 2020. Universidad Tecnológica de Pereira – Sociedad Colombiana de Ingeniería Física. ISSN xxxx-xxxx

1

PÉNDULOS ACOPLADOS Juan Felipe Villareal Trujillo Laboratorio de Física III, Universidad tecnológica de Pereira, Colombia [email protected] ingeniería electrónica

RESUMEN — En esta práctica se determinar la constante de “Planck h” y la dependencia del potencial de frenado respecto de la intensidad de la radiación incidente,

1 hv=w0 + m v 2 max 2 Fórmula 1.

PALABRAS CLAVES — fotoeléctrico, frecuencia, radiación, electrón, fotón.

ABSTRACT— In this practice, the “Planck h” constant and the dependence of the braking potential on the intensity of the incident radiation are determined, KEY WORDS — photoelectric, frequency, radiation, electron, photon. I.

INTRODUCCIÓN

La emisión de electrones en un material alcalino por acción de la luz se denomina Efecto Fotoeléctrico. En 1905 Albert Einstein propuso una teoría que proporciona una explicación coherente para determinar la dependencia de la emisión fotoeléctrica de la frecuencia de la radiación incidente. Einstein sugirió que los electrones libres, en su interacción con la radiación electromagnética, se comportan en la forma propuesta por Max Planck, para los osciladores atómicos en relación con la radiación de cuerpo negro, según la cual cada oscilador puede absorber o emitir una cantidad de energía discreta, o cuanto de energía posteriormente llamado Fotón. La energía de un cuanto está determinada por: E = hv Siendo E la energía absorbida o emitida, h la constante de Planck con un valor experimental dado por h = 6.625 × 10^−34J.s y ν la frecuencia de radiación electromagnética. Según la teoría propuesta por Einstein, cuando un fotón incide sobre una superficie metálica alcalina puede transmitir energía suficiente a un electrón para que supere la barrera de energía potencial de la superficie y se libere del metal. La energía del fotón hν debe ser mayor o igual que la función de trabajo ω0, la cual es la mínima energía que necesita un electrón para poder escapar del metal, es decir hν ≥ ω0. En este caso, ν0 = ω0 / h, es llamada la frecuencia umbral. En virtud del principio de la conservación de la energía, la energía de la radiación incidente se invierte en el trabajo necesario para desprender el electrón del metal e incrementar la energía cinética del mismo, es decir que:

Donde ½ mv2 max es la energía cinética del electrón desprendido del metal. Esta ecuación se conoce como la ecuación de Einstein del efecto fotoeléctrico. PREINFORME 1)

¿En qué consiste el efecto fotoeléctrico?

En una emisión de electrones en un material alcalino por acción de la luz. 2)

¿Cuáles son las predicciones clásicas sobre el efecto fotoeléctrico?

Cuando un electrón posee, una cantidad mayor de energía que la permitida en el nivel de energía al que pertenece, este tiende a desprenderse de él y a liberar el exceso de energía en forma de luz o calor. 3)

¿Qué es el potencial de frenado Vo?

Es un potencial que se le aplica al ánodo, para reducir total o parcialmente la corriente causado por el efecto fotoeléctrico. 4)

¿A que se denomina frecuencia umbral o de corte

f0

?

Es la frecuencia que hay en el instante en que el electrón tiene la energía necesaria para desprenderse del metal. 5)

¿Qué se entiende por función de trabajo efecto fotoeléctrico?

w0

en el

Es la mínima energía que necesita un electrón para poder escapar del metal que lo contiene.

II.

CONTENIDO

Se ingresa al simulador de efecto fotoeléctrico: http://www.varpa.org/recursos-educativos/efectofotoelectrico/index.html

Seleccionamos los tres elementos a analizar de la lista superior izquierda de la página. Se selecciona cada elemento y se varía las condiciones paragenerar efecto fotoeléctrico (Recordar que el efecto fotoeléctrico se genera cuando la energía del fotón es mayor que el trabajo de extracción). Y se genera dicho efecto para dos diferentes configuraciones de longitud de onda y potencial en un solo material con un valor de corriente especifico.

hc =w0 +e V 0 λ Despejando y utilizando la ecuación anterior y con las dos configuraciones se genera un sistema de ecuaciones 2×2 y se determina la constante de Planck para cada caso (Se consignan los datos en una tabla).

λ ∗λ e h= (V 2−V 1 )( 2 1 ) λ2−λ 1 c

3. ¿Igual? 2) Si se duplica la frecuencia de la radiación que incide sobre un metal: 1. Se duplica la energía cinética de los electrones extraídos; 2. La energía cinética de los electrones extraídos no experimenta modificación; 3. No es cierta ninguna de las dos opciones anteriores. R// (La respuesta correcta es la 3, ya que la energía cinética de los electrones extraídos determinada una relación mayor pero no del doble) 3)

Al irradiar un metal con luz roja (682nm) se produce efecto fotoeléctrico. Si irradiamos el mismo metal con luz amarilla (570nm): 1. No se produce efecto fotoeléctrico; 2. Los electrones emitidos se mueven más rápidamente; Se emiten m8 as electrones pero a la misma velocidad. R// (La respuesta correcta es la 2, ya que la energía asociada a

Nota: Para la formula convertimos Nanómetros a un haz luminoso es directamente proporcional a la frecuencia e inversamente proporcional a la longitud de onda, llegando a la Metros. conclusión de que cuanto menor es la longitud de onda mayores la energía de esa radiación.)

Elemento

CALCIO

SODIO

Variables

h (Experimental)

h (Teórico)

Error Absoluto

ʎ1

380

6.9331 · 10^-34 J·S^1

6.62607 · 10^-34 J·S^1

3.0703 · 10^-35 J·S^1

ʎ2

410

6.9331 · 10^-34 J·S^1

6.62607 · 10^-34 J·S^1

3.0703 · 10^-35 J·S^1

V1

0,35

6.9331 · 10^-34 J·S^1

6.62607 · 10^-34 J·S^1

3.0703 · 10^-35 J·S^1

V2

0,1

6.9331 · 10^-34 J·S^1

6.62607 · 10^-34 J·S^1

3.0703 · 10^-35 J·S^1

ʎ1

490

6.93399 · 10^-34 J·S^1

6.62607 · 10^-34 J·S^1

3.0792 · 10^-35 J·S^1

ʎ2

530

6.93399 · 10^-34 J·S^1

6.62607 · 10^-34 J·S^1

3.0792 · 10^-35 J·S^1

V1

0,25

6.93399 · 10^-34 J·S^1

6.62607 · 10^-34 J·S^1

3.0792 · 10^-35 J·S^1

V2

0,05

6.93399 · 10^-34 J·S^1

6.62607 · 10^-34 J·S^1

3.0792 · 10^-35 J·S^1

ʎ1

450

6.7284 · 10^-34 J·S^1

6.62607 · 10^-34 J·S^1

1.0233 · 10^-35 J·S^1

ʎ2

560

6.7284 · 10^-34 J·S^1

6.62607 · 10^-34 J·S^1

1.0233 · 10^-35 J·S^1

V1

0,65

6.7284 · 10^-34 J·S^1

6.62607 · 10^-34 J·S^1

1.0233 · 10^-35 J·S^1

V2

0,1

6.7284 · 10^-34 J·S^1

6.62607 · 10^-34 J·S^1

1.0233 · 10^-35 J·S^1

CESIO

TABLA 1. Datos de determinación de la constante Planck

Material

ʎ

V

W0 (Teórico) W0 (Experimental) Error Absoluto

CALCIO

380 0,35

2.90

2.78

0.12

SODIO

490 0,25

2.28

2.16

0.12

CESIO

560

2.10

1.89

0.21

0,1

TABLA 2. Datos de trabajo y extracción

Preguntas 1)

En una célula fotoeléctrica, el cátodo metálico se ilumina con una radiación de λ = 175nm y el potencia de frenado es de 1V. Cuando usamos una luz de 250nm, el potencial de frenado será: 1. Mayor. 2. Menor.

4)

Una radiación monocromática, de longitud de onda 300nm, incide sobre Cesio. Si la longitud de onda umbral del cesio es 622nm, el potencial de frenado es: 1. 12,5V 2. 2,15V 3. 125V R//(La respuesta correcta es la 2, hallando primero la energía cinética máxima de los electrones para así calcular el potencial de frenado.) 5)

Se produce efecto fotoeléctrico cuando fotones de frecuencia ν, superior a una frecuencia umbral ν0, inciden sobre ciertos metales. ¿Cuál de las siguientes afirmaciones es correcta? 1. Se emiten fotones de menor frecuencia; 2. Se emiten electrones; 3. Hay un cierto retraso temporal entre el instante de la iluminación y el de emisión de las partículas. R//(La respuesta correcta es la 2, ya que cuando la luz interacciona con el metal de la célula fotoeléctrica lo hace como si fuese un chorro de partículas llamadas fotones (paquetes de energía). Cada fotón choca con un electrón y le transmite toda su energía. Para que ocurra efecto fotoeléctrico, los electrones emitidos deben tener energía suficiente para llegar al anticátodo, lo que ocurre cuando la energía del fotón es mayor que el trabajo de extracción, que es una característica del metal. 6) Con un rayo de luz de longitud de onda λ no se produce efecto fotoeléctrico en un metal. Para conseguirlo se debe aumentar: 1. La longitud de onda λ 2. La frecuencia ν 3. El potencial de frenado. R//(La respuesta correcta es la 2, ya que cuando la luz interacciona con el metal de la célula fotoeléctrica lo hace como si fuese un chorro de partículas llamadas fotones (paquetes de energía). Cada fotón choca con un electrón y le transmite toda

su energía. Para que ocurra efecto fotoeléctrico, los electrones emitidos deben tener energía suficiente para llegar al anticátodo, lo que ocurre cuando la energía del fotón es mayor que el trabajo de extracción, que es una característica del metal. Cuanto mayor sea la frecuencia, mayor será la energía del fotón. Si no se produce efecto fotoeléctrico con el rayo de luz original, habrá que emplear otro de mayor energía, o sea, de mayor frecuencia. 7)

Para producir efecto fotoeléctrico no se usa luz visible, sino ultravioleta, y esto es porque la luz UV: 1. Calienta m8 as la superficie metálica; 2. Tiene mayor frecuencia; 3. Tiene mayor longitud de onda. 8)

Se produce efecto fotoeléctrico cuando fotones más energéticos que los visibles, por ejemplo luz ultr violeta, inciden sobre la superficie limpia de un metal. ¿De qué

depende que haya o no emisión de electrones? 1. De la intensidad de la luz; 2. De la frecuencia de la luz y de la naturaleza del metal; 3. Solo del tipo de metal.

fue pequeño ya que las longitudes

estimadas fueron de valores muy cercanos, por lo cual se puede concluir que el error El valor de la en la dispersión medición fue mínimo. R//(La respuesta correcta es la 2, ya que depende de la frecuencia de la luz y del tipo de metal, que haya o no emisión de electrones.) 9)

Un metal cuyo trabajo de extracción es 4,25eV, se ilumina con fotones de 5,5eV. ¿Cuál será la energía cinética máxima de los fotoelectrones emitidos? 1. 5.5 eV 2. 1.25 eV 3. 9,75 eV R//(La respuesta correcta es la 2, Se puede realizar por medio de las formulas y se verifica en el simulador.) 10) En el efecto fotoeléctrico: 1.La energía cinética de los electrones emitidos depende de la intensidad de la luz incidente; 2.Hay una frecuencia mínima para la luz incidente; 3. El trabajo de extracción no depende de la naturaleza del metal.

R//(La respuesta correcta es la 2, ya que en el efecto fotoeléctrico hay una frecuencia mínima para la luz que incide en el metal.)

III.

CONCLUSIONES

El valor de la medición fue dispersión mínimo fue pequeño ya que las longitudes estimadas fueron de valores muy cercanos, por lo cual se puede concluir que el error en la

1. El comportamiento del sistema está determinado por los dos ángulos de los péndulos (porque es un sistema de 2 grados de libertad), pero también influyen fuertemente el acoplamiento de los otros factores como la longitud de la cuerda, el resorte, la velocidad inicial (que debe ser cero) y las fuerzas externas (movimiento de los elementos durante las oscilaciones). 2. Esta práctica también nos permite observar el comportamiento de la energía mecánica en osciladores armónicos acoplados, es decir, la forma en que la energía se conserva y se traspasa de un péndulo al otro en forma periódica.

3. Aprendimos como son los modos propios de oscilación del sistema acoplado, la forma en que hay que combinar los elementos para alcanzar las frecuencias propias del sistema: fase y contrafase. 4. El modo propio de oscilación en fase es en el cual los dos péndulos empiezan su movimiento con el mismo ángulo y la misma velocidad inicial (cero); logrando asi un comportamiento muy parecido al de un péndulo simple. Por ello en la ecuación de este modo propio de oscilación, no se tiene en cuenta el resorte, pues este prácticamente no le afecta.

5. El modo propio de oscilación en contrafase es en el cual los péndulos empiezan a moverse con igual ángulo inicial, igual velocidad inicial pero en sentidos opuestos. Cuando se alejan o acercan los péndulos, se produce la elongación del resorte y es por esto que la constante del resorte es parte de la ecuación de la frecuencia propia en contrafase. 6. Al graficar W2 vs E2 podemos notar que tiene un comportamiento lineal 7. Al calcular los errores porcentuales, notamos que estos son mínimos tanto para la gravedad y la constante k.

REFERENCIAS

1) GUÍAS PARA PRÁCTICAS DE LABORATORIO DE

FÍSICA III CON AYUDAS MULTIMEDIA. PhD Beatriz Cruz Muñoz PhD John Quiroga Hurtado, DEPARTAMENTO DE FÍSICA, FACULTAD DE CIENCIAS BÁSICAS, UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE PEREIRA. (Ciclo 2.)

2) Serway Raymond, Fisica Tomo I McGraw Hill 4º edición 1997 3) https://es.wikipedia.org/wiki/Constante_de_Planck 4) Simulador: http://www.varpa.org/recursoseducativos/efectofotoelectrico/index.html...