Efecto fotoeléctrico. Dualidad de la luz

UNIVERSIDAD TÉCNICA DE MACHALA
FACULTAD DE CIENCIAS QUÍMICAS Y DE LA SALUD
CARRERA DE BIOQUÍMICA Y FARMACIA
NOMBRE: LISSETTE VALAREZO CAMACHO.
CURSO: PRIMER SEMESTRE DE BIOQ. Y FARMACIA
PARALELO: “B”
DOCENTE: Dr. FREDDY PEREIRA GUANUCHE.
Efecto fotoeléctrico.
Se llama efecto fotoeléctrico la liberación (total o parcial) de los electrones de enlaces con
átomos y moléculas de la sustancia bajo acción de la luz (visible, infrarroja y ultravioleta).
Si los electrones salen fuera de la sustancia el efecto fotoeléctrico se denomina externo. El
efecto fotoeléctrico se observa en los metales.
La fig.1 muestra un recipiente provisto de una ventanilla de cuarzo que es transparente para
la radiación óptica. Dentro del recipiente se encuentra una placa metálica K (cátodo),
conectada al polo negativo de la pila, y una placa A (ánodo), conectada al polo positivo de la
pila. Al iluminarse la placa K, entre ésta y la placa A se produce una corriente (corriente
fotoeléctrica) que puede medirse con el galvanómetro G. Como en el recipiente existe un
vacío, la corriente se produce exclusivamente por los electrones (fotoelectrones) que se
desprenden de la placa iluminada.
Fig.1.
Fig.2.
Hay tres características fundamentales del efecto fotoeléctrico.
1. La corriente fotoeléctrica de saturación ( o sea, el número máximo de electrones liberados
por la luz en 1 s) es directamente proporcional al flujo luminoso incidente.
2.La velocidad de los fotoelectrones crece con el aumento de la frecuencia de la luz
incidente y no depende de su intensidad.
3.Independientemente de la intensidad de la luz el efecto fotoeléctrico comienza sólo con
frecuencia mínima determinada ( para el metal dado) de la luz que se denomina frecuencia de
corte o umbral.
La fig.2 se muestra la gráfica de la corriente fotoeléctrica en función de la diferencia de
potencial V entre las placas A y K. La intensidad de la corriente fotoeléctrica, cuando la
composición y la intensidad de la luz incidente sobre la placa K permanecen constantes,
depende de la diferencia de potencial V que existe entre las placas A y K. En esta gráfica se
observa dos particularidades: 1) al aumentar la diferencia de potencial V la corriente
fotoeléctrica llega a la saturación y 2) existe un valor de la diferencia de potencial retardadora
(potencial retardador) V0 llegando a la cual cesa la corriente i.
La corriente fotoeléctrica alcanza un valor límite is (la corriente de saturación) para el
cual todos los fotoelectrones desprendidos del cátodo llegan hasta la placa A. La práctica
demuestra que con el aumento de la intensidad de la luz incidente aumenta también la
corriente
de
saturación,
pero
solamente
a
causa
de
que
son
emitidos
más
electrones. La intensidad de la luz incidente para la curva 2 es mayor que para la curva 1.
Como la corriente i = en, donde n es el número de electrones arrancados en la unidad de
tiempo, se deduce que el número de electrones arrancados en la unidad de tiempo aumenta
con el aumento de la intensidad de la luz incidente.
La parte ab de la curva indica, que aunque se invierte la polaridad de la diferencia de
potencial, la corriente fotoeléctrica no se reduce instantáneamente a cero, lo que hace deducir
que los electrones emitidos por la placa K tienen una determinada velocidad inicial. Estos
electrones dejan de llegar a la placa A cuando el trabajo del campo eléctrico eV0, que frena a
los electrones, se hace igual a su energía cinética inicial (la energía cinética máxima) Ec,máx=
(mυ2)/2.
(1)
De la fig.2 se ve que para las ambas curvas, que corresponden a diferentes intensidades de la
luz incidente, el potencial retardador es el mismo, o sea, el potencial retardador no depende
de la intensidad de la radiación incidente, lo que implica que la energía cinética máxima es
independiente de la intensidad de la luz.
La segunda y tercera ley del efecto fotoeléctrico estén en contradicción con la teoría
ondulatoria de la luz. Según esta teoría una onda electromagnética al incidir sobre el cuerpo
que contenga electrones deberá provocar en ellos vibraciones forzadas de amplitud
proporcional a las amplitudes de las propias ondas luminosas. La intensidad de la luz es
proporcional al cuadrado de la amplitud de la onda electromagnética, por lo tanto, la luz de
cualquier frecuencia, pero de intensidad suficientemente grande, debería arrancar los
electrones del metal, es decir, no debería existir la frecuencia umbral para el efecto
fotoeléctrico.
Esta conclusión no concuerda con la tercera ley del efecto fotoeléctrico. La amplitud de las
ondas luminosas determina la potencia del flujo luminoso, la velocidad de los electrones
desprendidos debería aumentar con el crecimiento de la intensidad de la luz incidente; en
otras palabras, cuanto más intensa fuera la luz, tanto mayor energía cinética debería recibir
de ella el electrón. Pero en realidad esto no ocurre: al aumentar la potencia de la luz incidente
lo que aumenta es el número de electrones que se desprenden; la
velocidad de los electrones depende exclusivamente de la
frecuencia de la luz.
La fig.3 muestra la gráfica, obtenida experimentalmente, del
potencial
retardador en función de la frecuencia de la luz incidente. Cuanto
más la
frecuencia de la luz, tanto mayor debe ser el potencial retardador. Además,
la gráfica pone de manifiesto que existe una frecuencia de corte ν0,
característica para cada metal. Para frecuencias menor que ésta desaparece el efecto
fotoeléctrico, por intensa que sea la iluminación.
Las tres características mencionadas anteriormente se interpretan fácilmente, basándose en
la teoría cuántica de la luz. Einstein demostró que todas las regularidades fundamentales del
efecto fotoeléctrico se explican directamente si
Fig.3.
se admite que la luz es absorbida en las mismas porciones (cuantos) E = hν en que, según
Planck, es emitida. Cuando un fotón choca con un electrón en la superficie o en un punto
interior infinitamente próximo a la superficie de un metal, puede transmitir su energía al
electrón. Después del choque con el electrón el fotón desaparece. La energía adquirida por
el electrón se gasta en el trabajo necesario para arrancar el electrón (E0) y en
comunicarle una energía cinética (mυ2)/2. De acuerdo con la ley de la conservación de la
energía tendremos que
Esta es la fórmula de Einstein. Expresando la energía cinética del electrón por medio del
trabajo del campo eléctrico [la fórmula (1)], se puede escribir la fórmula de Einstein de la
forma:
hν = eV0 + E0.
De esta última igualdad se deduce que
Esta fórmula es la expresión analítica de de la gráfica V0 = f(ν) [fig.3]. El hecho de que
la energía cinética de los fotoelectrones es función lineal de la frecuencia se deduce de la
hipótesis según la cual la absorción de la luz se realiza en porciones (cuantos) de energía E =
hν.
De la misma forma se explica la proporcionalidad que existe entre la corriente de saturación
y la potencia de la luz que incide. Al aumentar la potencia del flujo luminoso aumenta
también el número de porciones de energía (cuantos) E = hν y por consiguiente el número n
de electrones arrancados en la unidad de tiempo. Como is es proporcional a n, está claro que
la corriente de saturación es también proporcional a la potencia de la luz.
Dualidad de la luz
Teoria electromagnetica de Maxwell
En 1864 Maxwell establece la teoría electromagnética de la luz. Propone que la luz no es una
onda mecánica sino una onda electromagnética de alta frecuencia. Las ondas
electromagnéticas consisten en la propagación de un campo eléctrico y magnético
perpendiculares entre sí y a la dirección de propagación. Años después Hertz, realiza una
serie de experimentos en los que verifica la existencia de ondas electromagnéticas y establece
como detectarlas. Las ondas luminosas solo se diferencian de las de radio en que su
frecuencia, mucho mayor impresiona la retina del ojo. Parecía que se había aclarado la
naturaleza de la luz.
Maxwell no desarrollo un experimeto propio, sino que se dedico a explicar matematicamente
uno ya existente. Años antes, otro cientifico habia realizado un experimento donde se
disparaba una luz laser a traves de unas rendijas. Por fenomeno de difraccion, las ondas
luminicas cambiaban su direccion de propagacion para esquivar las rendijas. Luego, por
fenomeno de interferencia, tanto constructiva como destructiva, las ondas de luz se toparon y
sus amplitudes se sumaron en algunas zonas y en otras se anularon, mostrando zonas de
oscuridad y zonas fuertemente iluminadas en un mismo plano.
Maxwell obtuvo una serie de ecuciones que llevan su nombre y son capaces de explicar la
teoria electromagnetica de la luz.
En el prefacio de su obra Treatise on Electricity and Magnetism (1873) declaró que su
principal tarea consistía en justificar matemáticamente conceptos físicos descritos hasta ese
momento de forma únicamente cualitativa, como las leyes de la inducción electromagnética y
de los campos de fuerza, enunciadas por Michael Faraday. Con este objeto, Maxwell
introdujo el concepto de onda electromagnética, que permite una descripción matemática
adecuada de la interacción entre electricidad y magnetismo mediante sus célebres ecuaciones