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Efecto fotoeléctrico Guía

FísicaAvanzadoTiempo de lectura: 4 min

Resumen

¿Es la luz una onda o una partícula? En 1905, Einstein ofreció una respuesta que sacudió al mundo al explicar el "Efecto Fotoeléctrico": la luz tiene propiedades de partícula. Este experimento simula el proceso de fotones bombardeando una superficie metálica y expulsando electrones. Al ajustar la frecuencia, intensidad y voltaje inverso de la luz, experimentarás personalmente el amanecer de la mecánica cuántica y verificarás la famosa ecuación del efecto fotoeléctrico de Einstein.

Antecedentes

  • En 1887, Heinrich Hertz descubrió por primera vez el fenómeno del efecto fotoeléctrico en experimentos, pero no pudo explicarlo utilizando la teoría de ondas electromagnéticas de la época.
  • En 1902, Philipp Lenard descubrió experimentalmente que la energía cinética máxima de los fotoelectrones es independiente de la intensidad de la luz pero depende de la frecuencia, lo cual contradecía la teoría ondulatoria.
  • En 1905, Albert Einstein propuso la hipótesis del fotón, explicando con éxito todos los fenómenos experimentales del efecto fotoeléctrico, y fue galardonado con el Premio Nobel de Física de 1921 por ello.

Conceptos clave

Fotón (Photon)

E=hfE = hf

La energía de la luz viene en paquetes discretos, cada uno llamado fotón. Su energía EE está determinada por la frecuencia ff.

Función de Trabajo (Work Function, Φ\Phi)

Φ=hf0\Phi = hf_0

La energía mínima requerida para que un electrón escape de la superficie de un metal. La función de trabajo varía para diferentes metales y generalmente se denota por Φ\Phi o WW.

Energía Cinética Máxima (KmaxK_{\text{max}})

Kmax=hf−ΦK_{\text{max}} = hf - \Phi

La energía cinética máxima que posee un fotoelectrón al escapar de la superficie del metal. Es igual a la energía del fotón menos la función de trabajo.

Voltaje de Frenado (VsV_s)

eVs=Kmaxe V_s = K_{\text{max}}

El voltaje inverso mínimo requerido para reducir la fotocorriente a cero. En este punto, el trabajo negativo realizado por el campo eléctrico es igual a la energía cinética inicial máxima de los electrones.

Fórmulas y derivación

Ecuación Fotoeléctrica de Einstein

hf=Φ+Kmaxhf = \Phi + K_{\text{max}}
Parte de la energía del fotón incidente hfhf se utiliza para superar la fuerza de enlace del metal (Función de Trabajo Φ\Phi), y el resto se convierte en la energía cinética de los electrones KmaxK_{\text{max}}.

Pasos del experimento

  1. 1

    Encontrar la Frecuencia de Corte

    Selecciona un metal (por ejemplo, Sodio). Ajusta el voltaje a 0V0V. Comenzando desde longitudes de onda largas (luz roja), disminuye gradualmente la longitud de onda (aumenta la frecuencia) y observa a qué longitud de onda comienzan a ser expulsados los electrones. La frecuencia correspondiente a este punto crítico es la frecuencia de corte f0f_0.
  2. 2

    Explorar el Efecto de la Intensidad

    Con fotocorriente generándose, mantén la longitud de onda constante y ajusta la "Intensidad". Observa cualquier cambio en el número (densidad) de electrones expulsados y su velocidad. ¿Qué representa la intensidad de la luz?
  3. 3

    Medir el Voltaje de Frenado

    Mantén la intensidad y frecuencia de la luz constantes, y ajusta el voltaje de la batería a un valor negativo (voltaje inverso). Observa cómo se desaceleran los electrones. Registra el valor del voltaje cuando la corriente apenas cae a 00. Este es el voltaje de frenado VsV_s.
  4. 4

    Verificar la Ecuación de Einstein

    Cambia la frecuencia de la luz incidente y repite el paso 3 para medir el voltaje de frenado a diferentes frecuencias. Considera si existe una relación lineal entre el voltaje de frenado (que representa la energía cinética máxima) y la frecuencia.

Resultados del aprendizaje

  • Confirmar que la ocurrencia del efecto fotoeléctrico depende de la frecuencia de la luz, no de la intensidad
  • Dominar la relación proporcional entre la magnitud de la fotocorriente y la intensidad de la luz incidente
  • Verificar la ley de que la energía cinética inicial máxima aumenta linealmente con la frecuencia de la luz incidente
  • Comprender la característica de "partícula" de la dualidad onda-partícula de la luz

Aplicaciones reales

  • Células Fotoeléctricas: Utilizadas en puertas automáticas y sensores de alumbrado público para generar corriente y controlar circuitos cuando se iluminan.
  • Células Solares: Utilizan el efecto fotovoltaico para convertir la energía luminosa directamente en energía eléctrica, un componente clave de la energía limpia.
  • Tubos Fotomultiplicadores: Detectan señales de luz débiles en física nuclear e imágenes médicas (como escaneos PET).
  • Cámaras Digitales (CCD/CMOS): Utilizan el efecto fotoeléctrico para convertir señales de fotones que entran en la lente en señales electrónicas para la formación de imágenes.

Errores comunes

Error
Mientras la luz sea lo suficientemente brillante, incluso la luz roja puede expulsar electrones de una placa de zinc
Correcto
Incorrecto. Si la energía del fotón hfhf es menor que la función de trabajo Φ\Phi, no importa cuán alta sea la intensidad (número de fotones), un solo fotón no puede "patear" un electrón. Esto prueba que la energía está cuantizada.
Error
Aumentar el voltaje inverso hace que la fotocorriente aumente infinitamente
Correcto
Incorrecto. Aumentar el voltaje inverso impide que los electrones lleguen al ánodo, reduciendo la fotocorriente. Aumentar el voltaje directo aumenta la corriente hasta que alcanza la saturación.
Error
La energía cinética máxima de los fotoelectrones es proporcional a la intensidad de la luz
Correcto
Incorrecto. La energía cinética máxima depende solo de la frecuencia de la luz. Aumentar la intensidad solo agrega más fotones, aumentando así el número de electrones expulsados (fotocorriente), pero no cambia la energía de los electrones individuales.

Lectura adicional

¿Listo para empezar?

Ahora que entiendes lo básico, ¡comienza el experimento interactivo!

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