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El Efecto Fotoeléctrico
                                Aminta Robles
                                Física Moderna
      Maestría en Didáctica de la Ciencias Naturales con énfasis en Física
                          18 de noviembre de 2011




Aminta Robles - estudiante del curso de Física moderna -
Maestría en Didáctica de la Ciencias
EMISIÓN ELECTRÓNICA:
formas de extraer electrones de los metales.
     Emisión termoiónica (efecto Edison): los electrones son
      emitidos por la superficie calentada de un metal.
     Emisión secundaria: partículas energéticas incidentes sobre
      algunos materiales, liberan aún otros electrones de la
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     Efecto fotoeléctrico: luz incidente sobre un metal expulsa
      electrones de la superficie.


    Aminta Robles - estudiante del curso de Física moderna -
    Maestría en Didáctica de la Ciencias
Comparación de explicaciones
           Teoría clásica                                        Teoría cuántica
 A mayor intensidad de la luz                              La energía cinética de los
  incidente, más energéticos serán                           fotones no depende de la
  los electrones emitidos.                                   intensidad sino que aumenta al
 Si la intensidad de la radiación                           aumentar la frecuencia
  incidente es débil, se espera que                          incidente.
  pase cierto tiempo hasta que el                           No hay demora apreciable para
  metal almacene suficiente                                  que los electrones sean
  energía para expulsar                                      expulsados, aun para luz de
  electrones.                                                intensidad muy débil.


Aminta Robles - estudiante del curso de Física moderna -
Maestría en Didáctica de la Ciencias
Aportes importantes
Cronología del desarrollo del fenómeno




Aminta Robles - estudiante del curso de Física moderna -
Maestría en Didáctica de la Ciencias
1887 – Heinrich Her tz

 Fue el primero en establecer que las superficies
  metálicas limpias emiten cargas cuando se exponen a
  la luz ultravioleta.
   Descubre el efecto fotoeléctrico por accidente mientras
    investigaba las ondas electromagnéticas predichas por la
    teoría de Maxwell.
      El arco que salta entre dos electrodos conectados a alta tensión
        alcanza distancias mayores cuando se ilumina con luz
        ultravioleta que cuando se deja en la oscuridad.




     Aminta Robles - estudiante del curso de Física moderna -
     Maestría en Didáctica de la Ciencias
1888 – Halwachs
 Descubrió que las cargas emitidas eran negativas.




Aminta Robles - estudiante del curso de Física moderna -
Maestría en Didáctica de la Ciencias
1899 – J. J. Thomson
 Demostró que las cargas emitidas
  eran electrones.
   Hoy se les llama fotoelectrones
     Lo descubre al medir la relación entre
      carga y masa de las partículas
      producidas por la luz ultravioleta.
          Midió e por separado mediante la
           cámara de niebla




       Aminta Robles - estudiante del curso de Física moderna -
       Maestría en Didáctica de la Ciencias
1902 – Philip Lenard
 Descubre que cuando luz de frecuencia  1015 Hz incide sobre una
  placa K de un metal, emiten partículas cargadas negativamente que viajan
  hacia el electrodo positivo P.
   Que se emiten electrones del metal con intervalos de velocidad.
   Que la energía cinética máxima de los fotoelectrones, Kmax no depende
     de la intensidad de la luz incidente.
   Que la razón medida de la carga a la masa para los portadores cargados
     coincide con el encontrado por Millikan y Thomson para el electrón.
      Esto evidencia a los portadores como fotoelectrones.
   Que Kmax aumenta con la frecuencia de la luz.


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     Maestría en Didáctica de la Ciencias
Experiencia del efecto fotoeléctrico
Montaje experimental                                       Resultados gráficos




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Maestría en Didáctica de la Ciencias
Albert Einstein (1905)
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 Opina sobre la teoría clásica de Maxwell.
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    La radiación incidente consistía de paquetes de energía localizada que
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       Los fotones pueden ser reflejados de acuerdo con las leyes de la óptica,
       Los fotones pueden desaparecer cediendo toda su energía para expulsar los
         electrones,


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Conclusiones de la emisión
fotoeléctrica
     Para un metal y una frecuencia de radiación incidente, la cantidad de
        fotoelectrones emitidos es directamente proporcional a la intensidad de luz incidente.
       El potencial de frenado depende de la función de trabajo.
       Para cada metal dado, existe una cierta frecuencia mínima de radiación
        incidente debajo de la cual ningún fotoelectrón puede ser emitido. Esta
        frecuencia se llama frecuencia de corte, también conocida como "Frecuencia
        Umbral".
       Por encima de la frecuencia de corte, la energía cinética máxima del fotoelectrón
        emitido es independiente de la intensidad de la luz incidente, pero depende de la
        frecuencia de la luz incidente.
       La emisión del fotoelectrón se realiza instantáneamente, independientemente de la
        intensidad de la luz incidente. Este hecho se contrapone a la Teoría Clásica: la
        Física Clásica esperaría que existiese un cierto retraso entre la absorción de
        energía y la emisión del electrón, inferior a un nanosegundo.


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CONCEPTOS

      Variable                                                   Definición

 Función de trabajo                       Energía mínima con la que un electrón se enlaza en el
                                              metal; o energía mínima requerida para extraer un
  ()                                         electrón del metal.
 Frecuencia de corte.                     Frecuencia mínima de radiación incidente debajo de la
 Potencial de frenado                        cual ningún fotoelectrón puede ser emitido.
  (V0)                                     Es el que logra detener los electrones más energéticos y
                                              la fotocorriente se anula.
 .                                        Ecuación fotoeléctrica de Einstein.


      Aminta Robles - estudiante del curso de Física moderna -
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Aplicaciones
     El sulfuro de cadmio es usado como sensor para farolas de alumbrado público, ya que al
        disminuir la intensidad de la luz se vuelve no conductor, obligando a la farola a
        encenderse.
     Las células fotovoltaicas en combinación con relés forman parte de muchos mecanismos
        automáticos. En la puerta de un ascensor un rayo que sale de un lado de la puerta
        incide sobre una célula fotoeléctrica situada al otro lado. Cuando se interrumpe el
        rayo la célula no conduce y el relé conectado a ella conmuta de posición. El relé junto
        con la célula regula la corriente que llega a un motor eléctrico conectado en el
        circuito.
     La mayor aplicación del ef. es sin duda los paneles solares, que hacen uso de células
        fotovoltaicas. Éstas se construyen con dos capas de semiconductores. Bajo la radiación
        del sol se genera una cierta diferencia de potencial entre ambas capas, que se traduce
        en la generación de una corriente eléctrica.


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Fuentes consultadas
 http://es.wikipedia.org/wiki/Efecto_fotoel%C3%A9ctrico
  #Explicaci.C3.B3n
 http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/cuantica/fotoelectrico
  /fotoelectrico.htm
 http://www.ciencia-ficcion.com/glosario/e/efecfoto.htm
 file:///C:/Program%20Files%20%28x86%29/PhET-
  1.0/simulations/sims1db0.html?sim=Photoelectric_Effect
 Serway R.; Moses, C.; Moyer, C.. FÍSICA MODERNA. Tercera
  edición. Editorial Thomson.
 Acosta, V.; Crowan, C.; Graham, B.. CURSO DE FÍSICA
  MODERNA. Editorial Harla. México. 1975.

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El efecto fotoeléctrico

  • 1. El Efecto Fotoeléctrico Aminta Robles Física Moderna Maestría en Didáctica de la Ciencias Naturales con énfasis en Física 18 de noviembre de 2011 Aminta Robles - estudiante del curso de Física moderna - Maestría en Didáctica de la Ciencias
  • 2. EMISIÓN ELECTRÓNICA: formas de extraer electrones de los metales.  Emisión termoiónica (efecto Edison): los electrones son emitidos por la superficie calentada de un metal.  Emisión secundaria: partículas energéticas incidentes sobre algunos materiales, liberan aún otros electrones de la superficie.  Emisión de campo: un campo eléctrico intenso extrae electrones de la superficie de un metal.  Efecto fotoeléctrico: luz incidente sobre un metal expulsa electrones de la superficie. Aminta Robles - estudiante del curso de Física moderna - Maestría en Didáctica de la Ciencias
  • 3. Comparación de explicaciones Teoría clásica Teoría cuántica  A mayor intensidad de la luz  La energía cinética de los incidente, más energéticos serán fotones no depende de la los electrones emitidos. intensidad sino que aumenta al  Si la intensidad de la radiación aumentar la frecuencia incidente es débil, se espera que incidente. pase cierto tiempo hasta que el  No hay demora apreciable para metal almacene suficiente que los electrones sean energía para expulsar expulsados, aun para luz de electrones. intensidad muy débil. Aminta Robles - estudiante del curso de Física moderna - Maestría en Didáctica de la Ciencias
  • 4. Aportes importantes Cronología del desarrollo del fenómeno Aminta Robles - estudiante del curso de Física moderna - Maestría en Didáctica de la Ciencias
  • 5. 1887 – Heinrich Her tz  Fue el primero en establecer que las superficies metálicas limpias emiten cargas cuando se exponen a la luz ultravioleta.  Descubre el efecto fotoeléctrico por accidente mientras investigaba las ondas electromagnéticas predichas por la teoría de Maxwell.  El arco que salta entre dos electrodos conectados a alta tensión alcanza distancias mayores cuando se ilumina con luz ultravioleta que cuando se deja en la oscuridad. Aminta Robles - estudiante del curso de Física moderna - Maestría en Didáctica de la Ciencias
  • 6. 1888 – Halwachs  Descubrió que las cargas emitidas eran negativas. Aminta Robles - estudiante del curso de Física moderna - Maestría en Didáctica de la Ciencias
  • 7. 1899 – J. J. Thomson  Demostró que las cargas emitidas eran electrones.  Hoy se les llama fotoelectrones  Lo descubre al medir la relación entre carga y masa de las partículas producidas por la luz ultravioleta.  Midió e por separado mediante la cámara de niebla Aminta Robles - estudiante del curso de Física moderna - Maestría en Didáctica de la Ciencias
  • 8. 1902 – Philip Lenard  Descubre que cuando luz de frecuencia  1015 Hz incide sobre una placa K de un metal, emiten partículas cargadas negativamente que viajan hacia el electrodo positivo P.  Que se emiten electrones del metal con intervalos de velocidad.  Que la energía cinética máxima de los fotoelectrones, Kmax no depende de la intensidad de la luz incidente.  Que la razón medida de la carga a la masa para los portadores cargados coincide con el encontrado por Millikan y Thomson para el electrón.  Esto evidencia a los portadores como fotoelectrones.  Que Kmax aumenta con la frecuencia de la luz. Aminta Robles - estudiante del curso de Física moderna - Maestría en Didáctica de la Ciencias
  • 9. Experiencia del efecto fotoeléctrico Montaje experimental Resultados gráficos Aminta Robles - estudiante del curso de Física moderna - Maestría en Didáctica de la Ciencias
  • 10. Albert Einstein (1905) “Heurística de la generación y conversión de la luz”  Opina sobre la teoría clásica de Maxwell.  Describe exitosamente la propagación de la luz por el espacio durante largos intervalos de tiempo.  Se necesita una teoría diferente para describir las interacciones momentáneas de la luz y la materia.  Utiliza nuevos conceptos cuánticos: E=h  La radiación incidente consistía de paquetes de energía localizada que viajan con la velocidad de la luz.  Desarrolla la teoría del efecto fotoeléctrico  La energía de la luz no se distribuye de manera uniforme sobre el frente de onda clásico, sino que se concentra en regiones discretas denominadas cuantos, cada uno de los cuales contiene una energía hf.  Los fotones pueden ser reflejados de acuerdo con las leyes de la óptica,  Los fotones pueden desaparecer cediendo toda su energía para expulsar los electrones, Aminta Robles - estudiante del curso de Física moderna - Maestría en Didáctica de la Ciencias
  • 11. Conclusiones de la emisión fotoeléctrica  Para un metal y una frecuencia de radiación incidente, la cantidad de fotoelectrones emitidos es directamente proporcional a la intensidad de luz incidente.  El potencial de frenado depende de la función de trabajo.  Para cada metal dado, existe una cierta frecuencia mínima de radiación incidente debajo de la cual ningún fotoelectrón puede ser emitido. Esta frecuencia se llama frecuencia de corte, también conocida como "Frecuencia Umbral".  Por encima de la frecuencia de corte, la energía cinética máxima del fotoelectrón emitido es independiente de la intensidad de la luz incidente, pero depende de la frecuencia de la luz incidente.  La emisión del fotoelectrón se realiza instantáneamente, independientemente de la intensidad de la luz incidente. Este hecho se contrapone a la Teoría Clásica: la Física Clásica esperaría que existiese un cierto retraso entre la absorción de energía y la emisión del electrón, inferior a un nanosegundo. Aminta Robles - estudiante del curso de Física moderna - Maestría en Didáctica de la Ciencias
  • 12. CONCEPTOS Variable Definición  Función de trabajo  Energía mínima con la que un electrón se enlaza en el metal; o energía mínima requerida para extraer un () electrón del metal.  Frecuencia de corte.  Frecuencia mínima de radiación incidente debajo de la  Potencial de frenado cual ningún fotoelectrón puede ser emitido. (V0)  Es el que logra detener los electrones más energéticos y la fotocorriente se anula.  .  Ecuación fotoeléctrica de Einstein. Aminta Robles - estudiante del curso de Física moderna - Maestría en Didáctica de la Ciencias
  • 13. Aplicaciones  El sulfuro de cadmio es usado como sensor para farolas de alumbrado público, ya que al disminuir la intensidad de la luz se vuelve no conductor, obligando a la farola a encenderse.  Las células fotovoltaicas en combinación con relés forman parte de muchos mecanismos automáticos. En la puerta de un ascensor un rayo que sale de un lado de la puerta incide sobre una célula fotoeléctrica situada al otro lado. Cuando se interrumpe el rayo la célula no conduce y el relé conectado a ella conmuta de posición. El relé junto con la célula regula la corriente que llega a un motor eléctrico conectado en el circuito.  La mayor aplicación del ef. es sin duda los paneles solares, que hacen uso de células fotovoltaicas. Éstas se construyen con dos capas de semiconductores. Bajo la radiación del sol se genera una cierta diferencia de potencial entre ambas capas, que se traduce en la generación de una corriente eléctrica. Aminta Robles - estudiante del curso de Física moderna - Maestría en Didáctica de la Ciencias
  • 14. Fuentes consultadas  http://es.wikipedia.org/wiki/Efecto_fotoel%C3%A9ctrico #Explicaci.C3.B3n  http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/cuantica/fotoelectrico /fotoelectrico.htm  http://www.ciencia-ficcion.com/glosario/e/efecfoto.htm  file:///C:/Program%20Files%20%28x86%29/PhET- 1.0/simulations/sims1db0.html?sim=Photoelectric_Effect  Serway R.; Moses, C.; Moyer, C.. FÍSICA MODERNA. Tercera edición. Editorial Thomson.  Acosta, V.; Crowan, C.; Graham, B.. CURSO DE FÍSICA MODERNA. Editorial Harla. México. 1975. Aminta Robles - estudiante del curso de Física moderna - Maestría en Didáctica de la Ciencias