El documento describe el efecto fotoeléctrico, donde los electrones son emitidos de metales cuando son iluminados con luz. Explica que la energía de los fotones depende de su frecuencia según la constante de Planck h, y que los electrones solo son emitidos si la energía del fotón excede la energía de enlace del electrón. También describe cómo se puede medir la energía de enlace y la constante de Planck h mediante experimentos que varían la frecuencia de la luz y miden la energía cinética máxima de los electron

1. UNIVERSIDAD POLITECNICA SALESIANA
Física Moderna
Nombre: Ricardo Zapata
Efecto Fotoeléctrico
La emisión de electrones por metales iluminados con luz de determinada frecuencia fue
observada a finales del siglo XIX por Hertz y Hallwachs. El proceso por el cual se liberan
electrones de un material por la acción de la radiación se denomina efecto fotoeléctrico o
emisión fotoeléctrica. Sus características esenciales son:
 Para cada sustancia hay una frecuencia mínima o umbral de la radiación
electromagnética por debajo de la cual no se producen fotoelectrones por más intensa
que sea la radiación.
 La emisión electrónica aumenta cuando se incrementa la intensidad de la radiación
que incide sobre la superficie del metal, ya que hay más energía disponible para liberar
electrones.
En los metales hay electrones que se mueven más o menos libremente a través de la red
cristalina, estos electrones no escapan del metal a temperaturas normales porque no tienen
energía suficiente. Calentando el metal es una manera de aumentar su energía. Los electrones
"evaporados" se denominan termoelectrones, este es el tipo de emisión que hay en las
válvulas electrónicas. Vamos a ver que también se pueden liberar electrones (fotoelectrones)
mediante la absorción por el metal de la energía de radiación electromagnética.
El objetivo de la práctica simulada es la determinación de la energía de arranque de los
electrones de un metal, y el valor de la constante de Planck. Para ello, disponemos de un
conjunto de lámparas que emiten luz de distintas frecuencias y placas de distintos metales que
van a ser iluminadas por la luz emitida por esas lámparas especiales.
Descripción
Sea f la energía mínima necesaria para que un electrón escape del metal. Si el electrón absorbe
una energía E, la diferencia E-f, será la energía cinética del electrón emitido.
Einstein explicó las características del efecto fotoeléctrico, suponiendo que cada electrón
absorbía un cuanto de radiación o fotón. La energía de un fotón se obtiene multiplicando la
constante h de Planck por la frecuencia f de la radiación electromagnética.
E=hf
Si la energía del fotón E, es menor que la energía de arranque f, no hay emisión fotoeléctrica.
En caso contrario, si hay emisión y el electrón sale del metal con una energía cinética Ek igual a
E-f.

2. Por otra parte, cuando la placa de área S se ilumina con cierta intensidad I, absorbe una
energía en la unidad de tiempo proporcional a IS, basta dividir dicha energía entre la cantidad
hf para obtener el número de fotones que inciden sobre la placa en la unidad de tiempo. Como
cada electrón emitido toma la energía de un único fotón, concluimos que el número de
electrones emitidos en la unidad de tiempo es proporcional a la intensidad de la luz que
ilumina la placa
Mediante una fuente de potencial variable, tal como se ve en la figura podemos medir la
energía cinética máxima de los electrones emitidos, véase el movimiento de partículas
cargadas en un campo eléctrico.
Aplicando una diferencia de potencial V entre las placas A y C se frena el movimiento de los
fotoelectrones emitidos. Para un voltaje V0 determinado, el amperímetro no marca el paso de
corriente, lo que significa que ni aún los electrones más rápidos llegan a la placa C. En ese
momento, la energía potencial de los electrones se hace igual a la energía cinética.
Variando la frecuencia f, (o la longitud de onda de la radiación que ilumina la placa) obtenemos
un conjunto de valores del potencial de detención V0. Llevados a un gráfico obtenemos una
serie de puntos (potencial de detención, frecuencia) que se aproximan a una línea recta.
La ordenada en el origen mide la energía de arranque en electrón-voltios f/e. Y la pendiente de
la recta es h/e. Midiendo el ángulo de dicha pendiente y usando el valor de la carga del
electrón e= 1.6 10-19 C, obtendremos el valor de la constante de Planck, h=6.63 10-34 Js.

3. EXPLICACIÓN Y FÓRMULAS DEL FENÓMENO FÍSICO DEL EFECTO FOTOELÉCTRICO
Este efecto, se trata de otro fenómeno que, al igual que la radiación de cuerpo negro, también
involucra la interacción entre la radiación y la materia. Pero esta vez se trata de absorción de
radiación de metales
Heinrich Hertz (1857-1894), científico alemán, fue el primero en observar el efecto
fotoeléctrico, en 1887, mientras trabajaba en la generación de ondas de radio. Informó esta
observación pero no se dedicó a explicarla

4. Al incidir luz ultravioleta sobre el cátodo metálico
(fotocátodo) se detecta el paso de una corriente
eléctrica. Se trata de electrones que abandonan el
cátodo (colector) y se dirigen al ánodo a través del
vacío dentro del tubo. Los electrodos se hallan
conectados a una diferencia de potencial de sólo
unos pocos voltios.
La teoría
electromagnétic
a clásica
considera que
la radiación de
mayor
intensidad (o
brillo, si es
visible), que
corresponde a
ondas de mayor
amplitud,
transporta
mayor energía.
Esta energía se
halla distribuida
uniformemente
a lo largo del
frente de onda.
La intensidad es
igual a la
energía que
incide, cada
unidad de
tiempo, en una
unidad de
superficie.
Con radiación ultravioleta de diferentes intensidades, los
electrones salen del metal con la misma velocidad. La radiación
más intensa arranca mayor número de electrones. Esta
observación también resultaba inexplicable.

5. Con luz ultravioleta, aun de baja intensidad, los electrones son
arrancados prácticamente en forma instantánea, aunque la Física
clásica predecía un tiempo de retardo hasta que los átomos
absorbieran la energía necesaria para expulsar el electrón. Con
luz visible este fenómeno no se observa, aunque se aumente la
intensidad de la luz y se ilumine durante mucho tiempo, como
para que el átomo absorba bastante energía. Esta observación
resultaba inexplicable.
EXPLICACION FISICA DEL FENOMENO
Planck había llegado a la conclusión de que el traspaso de
energía entre la materia y la radiación en el cuerpo negro
ocurría a través de paquetes de energía. Sin embargo, no
quiso admitir que la energía radiante una vez desprendida de
la materia también viajaba en forma corpuscular. Es decir que
siguió considerando a la radiación que se propaga como una
onda clásica.
En 1905, Albert Einstein fue un paso más allá al explicar
completamente las características del efecto fotoeléctrico.
Para ello retomó la idea del cuanto de energía de Planck,
postulando que:
La radiación electromagnética está compuesta por paquetes de
energía o fotones. Cada fotón transporta una energía

6. E= v . h , donde v es la frecuencia de la radiación y h es la constante de Planck.
Cuando un fotón incide sobre el metal, transfiere toda su energía a alguno de los electrones. Si
esta energía es
suficiente para romper la ligadura del electrón con el metal, entonces el electrón se
desprende. Si el fotón transporta más energía de la necesaria, este exceso se transforma en
energía cinética del electrón:
Expresado en fórmula matematica es: Ecinética = h . v - Eextracción
donde Eextracción es la energía necesaria para vencer la unión con el metal.
Esta teoría explica perfectamente los hechos observados:
1. Si la frecuencia de la radiación es baja (como en la luz visible), los fotones no acarrean la
suficiente energía como para arrancar electrones, aunque se aumente la intensidad de la luz o
el tiempo durante el cual incide.
Para cada tipo de material existe una frecuencia mínima por
debajo de la cual no se produce el efecto fotoeléctrico.
2. Si la frecuencia de la radiación es suficiente para que se
produzca el efecto fotoeléctrico, un crecimiento de la intensidad
hace que sea mayor el número de electrones arrancados (por
ende será mayor la corriente), pero no afecta la velocidad de los
electrones.
Aumentar la intensidad de la luz equivale a incrementar el
número de fotones, pero sin aumentar la energía que transporta
cada uno.
3. Según la teoría clásica, habría un tiempo de retardo entre la llegada de la radiación y la
emisión del primer electrón. Ya que la energía se distribuye uniformemente sobre el frente de
la onda incidente, ésta tardaría al menos algunos cientos de segundos en transferir la energía
necesaria. La teoría de Einstein, en cambio, predice que:

7. Una radiación de frecuencia adecuada, aunque de intensidad sumamente baja, produce
emisión de electrones en forma instantánea.
Pasaron diez años de experimentación hasta que la nueva teoría fue corroborada y aceptada.
Se determinó el valor de h a partir de experiencias de efecto fotoeléctrico y se encontró que
concordaba perfectamente con el valor hallado por Planck a partir del espectro de radiación de
cuerpo negro.
Desde ese momento los físicos aceptaron que, si bien la luz se propaga como si fuera una
onda, al interactuar con la materia (en los procesos de absorción y emisión) se comporta como
un haz de partículas. Esta sorprendente conducta es lo que se ha llamado la naturaleza dual de
la luz. Esto muestra que las ideas surgidas del mundo macroscópico no son aplicables al
inimaginable mundo de lo diminuto.