O Está hechofotoeléctrico es un fenómeno físico que consiste en la emisión de electrones por ciertos materiales, generalmente metálicos, cuando son iluminados por ondas electromagnéticas de frecuencias específicas. En este fenómeno, el luz se comporta como un partícula, transfiriendo energía a los electrones, que son expulsado fuera del material.
Resumen sobre el efecto fotoeléctrico
Fenómeno físico descubierto por Heinrich Hertz en 1886;
Explicado por Albert Einstein, en 1905, mediante la cuantificación de la luz propuesta por Planck en 1900;
Los electrones se expulsan solo si la energía de los fotones incidentes es mayor o igual que la función de trabajo del material;
La energía cinética de los electrones expulsados solo depende de la frecuencia de la luz incidente;
La intensidad de la luz solo afecta la cantidad de electrones que se expulsan por segundo.
Historia del efecto fotoeléctrico
Alrededor de 1886, el físico alemán Heinrichhercios (1857-1894) llevó a cabo varios experimentos para demostrar la existencia de
ondas electromagnéticas. Para ello, Hertz produjo descargas entre dos electrodos y, en ocasiones, se dio cuenta de que, al iluminarse, el cátodo era capaz de producir descargas eléctricas más intensas. Sin saberlo, Hertz había descubierto el efecto fotoeléctrico, a través de la emisión de rayoscátodo.Dos años después de las observaciones de Hertz, J.J. Thomson demostró que las partículas emitidas por las placas iluminadas eran electrones. Para tanto, Thomson demostró que la relación de carga a masa (e / m) de las partículas del cátodo era igual a la del electrones- partículas descubiertas por él mismo unos años antes.
veaademás: El descubrimiento del electrón
En 1903, el asistente de Hertz, PhilippLenard, desarrolló una serie de experimentos con el fin de establecer un relación Entre los intensidad de luz y el energía de electrones emitido, Lenard concluyó que no había dependencia entre las dos cosas, lo que era de esperar, según el conocimiento de la física en ese momento. Un año después, Schweilder pudo demostrar que la energía cinética de los electrones que salían de las placas metálicas era directamente proporcional a la frecuencia de la luz que las iluminaba.
Los resultados obtenidos contradecían experimentalmente la teoría clásica de electromagnetismo y se convirtió en un gran desafío para los físicos en ese momento durante aproximadamente 18 años. En el año de 1905, Einstein hizo uso de una propuesta presentada por Planck, explicando satisfactoriamente el operación del efecto fotoeléctrico. La propuesta utilizada por Einstein se llama cuantificación del campo electromagnético. En el año 1900, Planck intentó, en todos los sentidos, explicar el problema del cuerpo negro, y solo pudo hacerlo sugiriendo que la luz estaba cuantificada, es decir, que tenía valores de energía múltiplos de una cantidad menor. Aunque Planck entendió que su hazaña era solo un dispositivo matemático capaz de explicar un fenómeno físico, Einstein creía que la luz realmente estaba formada por una gran cantidad de partículas que habían energía. En el futuro, estas partículas se llamarían fotones.
Tras la publicación de su artículo sobre el efecto fotoeléctrico, Einstein recibió el Premio Nobel de Física en 1921.
Conocer más sobre:¿Qué son los fotones?
Fórmulas
Según la teoría corpuscular de la luz, propuesta por Planck y utilizada por Einstein para explicar el efecto fotoeléctrica, la luz está formada por una gran cantidad de fotones, partículas sin masa que transportan una pequeña cantidad. de energía. Esta energía es proporcional a la frecuencia de la luz y también a la constante de Planck (h = 6.662.10-34 J.s), como se muestra en la siguiente ecuación:
Y - energía de fotones
H - Constante de Planck
F - frecuencia de luz
Si la energía de un fotón es lo suficientemente grande, puede arrancar electrones del material. La energía cinética de un electrón expulsado se puede calcular utilizando la siguiente ecuación:
K - energía cinética de los electrones
Y - energía de fotones
Φ - Función laboral
Según la expresión anterior, la energía cinética adquirida por los electrones (K) depende de la energía de los fotones incidentes (E) y también de Φ (ocupacióntrabaja). Esta cantidad mide la cantidad de energía potencial por la cual los electrones se unen al material, es la energía mínima necesaria para sacarlos. Por lo tanto, todo el exceso de energía se transfiere a los electrones en forma de energíacinética. Aquí es importante darse cuenta de que la energía cinética adquirida por los electrones depende de exclusivamente da frecuencia de luz incidente y no la intensidad de la luz que se emite.
La frecuencia de la luz, no su intensidad, determina si se expulsarán electrones.
mesa de funciones de trabajo
Revisar la la medida de la función de trabajo de algunos materiales conocidos. Esta función se refiere a la cantidad mínima de energía requerida para que los electrones sean arrancados de la superficie del material:
Material |
Función de trabajo (eV) |
Aluminio |
4,08 |
Cobre |
4,7 |
Hierro |
4,5 |
Platino |
6,35 |
Plata |
4,73 |
Zinc |
4,3 |
Experimento de efecto fotoeléctrico
Observe la siguiente figura, presenta un esquema simplificado del arreglo experimental, utilizado por Phillip Lenard, para el estudio del efecto fotoeléctrico:
Esquema experimental utilizado para estudiar el efecto fotoeléctrico.
El experimento consistió en dos placas metálicas paralelas conectadas a una batería. En el circuito hubo amperímetros, utilizado para medir la corriente eléctrica entre las dos placas, y voltímetros, utilizado para medir la tensión eléctrica establecida por la batería.
Cuando esta batería fue iluminada por ciertas frecuencias de luz, algunos electrones fueron emitidos por una de las placas, que adquirió cargas positivas (cátodo). Cuando se acelera por una diferencia de potencial proporcionada por la batería, los electrones llegan a la otra placa. Esta corriente eléctrica se midió con el amperímetro.
Lenard notó que al aumentar la intensidad de la luz, se expulsan más electrones cada segundo. Sin embargo, manteniendo constante la frecuencia de la luz emitida por la fuente de luz, la energía con la que se expulsaron los electrones no cambió. Mire el cuadro a continuación:
La corriente de saturación corresponde al número de electrones expulsados por la placa iluminada cada segundo.
La figura anterior se refiere a corriente eléctrica producido por electrones, expulsado por una placa y capturado por la otra placa, con el potencial eléctrico establecido entre ellos. Al aplicar este potencial, los electrones que acababan de salir de la placa, incluso con energía cinética cero, alcanzaron la otra placa. Cuando todos los electrones expulsados llegan a la otra placa, la corriente eléctrica está saturado, es decir, empieza a quedarse constante. Lo que se puede ver es que la corriente de saturación depende de la intensidad de luz: cuanto mayor es la intensidad de la luz, mayor es la corriente eléctrica que se forma entre las placas.
Sin embargo, al aplicar un potencial eléctrico opuesto, con el fin de retrasar el movimiento de los electrones que van de una placa a la otra, se observa que existe un potencial eléctrico mínimo (V0), llamada potencial de corte, por lo que ningún electrón puede alcanzar la otra placa. Esto indica que la energía cinética con la que los electrones abandonan las placas no depende de la intensidad de la luz. La energía cinética máxima de los electrones se puede calcular utilizando la siguiente ecuación:
K - energía cinética máxima de los electrones
y - carga fundamental (1.6.10-19 C)
V0 - potencial de corte
Electrón-Voltio
Dado que los módulos de energía cinética de los electrones tienen módulos demasiado bajos para ser medidos en julios, estas mediciones de energía se realizan de forma rutinaria en otra unidad mucho más pequeña, la electrón-voltio (eV). El electrón-Voltio es la cantidad de energía potencial eléctrica experimentada por una partícula cargada con el valor de carga más bajo existente, un carga fundamental, cuando se coloca en una región de potencial eléctrico igual a 1 V. Por tanto, 1 eV equivale a 1,6,10-19 J.
Además del electron-Volt, es común usar prefijos como: keV (kiloelectrones-voltios, 103 eV), Yo v (Megaelectrón-Voltios, 106 eV), TeV (teraelectrón-voltios, 109 eV) etc.
Aplicaciones tecnológicas del efecto fotoeléctrico
Surgieron varias aplicaciones tecnológicas basadas en la explicación del efecto fotoeléctrico. El más famoso de ellos es quizás las células fotovoltaicas. Estas celdas son las unidades básicas del Paneles solares, a través de ellos es posible para convertir La energia luminosa en corriente eléctrica. Consulte una lista de los principales inventos basados en el efecto fotoeléctrico:
Celdas fotovoltaicas;
Relés;
sensores de movimiento;
Fotorresistores.
ejercicios resueltos
1) Una sustancia, cuando es iluminada por fotones de 4 eV, es capaz de expulsar electrones con una energía de 6 eV. Determine el módulo de la función de trabajo de dicha sustancia.
Resolución:
Usaremos la ecuación de la función de trabajo para calcular esta cantidad, tenga en cuenta:
Si la energía cinética de los electrones expulsados (K) es igual a 6 eV y la energía de los fotones incidentes (E) igual a 4 eV, tendremos:
Según el cálculo realizado, la función de trabajo de este material, es decir, la energía mínima para expulsar los electrones, es de 2 eV.
2) Cuando iluminamos una placa metálica cuya función de trabajo es de 7 eV, observamos la expulsión de electrones con energías de 4 eV. Determinar:
a) la energía de los fotones incidentes;
b) la frecuencia de los fotones incidentes.
Resolución:
a) Determinemos la energía de los fotones de luz incidente mediante la función de trabajo:
B) Para calcular la frecuencia de los fotones, podemos utilizar la siguiente ecuación:
Tomando los datos que nos proporciona el ejercicio, tendremos el siguiente cálculo:
Por Rafael Hellerbrock
Fuente: Escuela Brasil - https://brasilescola.uol.com.br/fisica/o-efeito-fotoeletrico.htm
