Efecto Fotoeléctrico. Resumen

efecto fotoeléctrico Bueno vamos a ver primero un poco de perspectiva histórica a finales de siglo XIX los físicos estaban encantados de haberse conocido pensaban que lo controlaban todo entre eso que controlaban estaba la luz por qué Porque el gran físico escocés James clire Maxwell había desarrollado su teoría clásica del electromagnetismo en ella demostraba Sin lugar a dudas que la luz era una onda electromagnética vale la luz era una onda acababa de un plomazo con aquella controversia histórica de si la luz era un conjunto de partículas o era una onda Estaba clarísimo la luz era una onda Henry her haya demostrado que quizá ha escrito algo Antes de Ah que la luz era una onda Ya sin ningún lugar a dudas por qué porque había sido capaz de crear ondas electromagnéticas y de captar ondas electromagnéticas pero se encontró con el efecto fotoeléctrico y eso le trastornó profundamente Por qué el efecto fotoeléctrico dice que si yo hago incidir una radiación electromagnética luz sobre una superficie metálica de la luz salen electrones algo así yo tengo la luz tengo el Metal perdonad tengo la luz la luz de una energía determinada una frecuencia determinada la luz incide y salen electrones esto nos parece sencillo no la luz tiene energía Yo la energía de la luz la empleo en arrancar los electrones pero cuando herz se puso a estudiar este fenómeno vio que habían cosas que no le cuadraban lo primero no lo cuadraba vio que el que se produjera o no el efecto fotoeléctrico no dependía de la intensidad de la radiación solo dependía de la frecuencia vale vamos a hacer un poco de memoria Qué es la intensidad de la radiación la intensidad de una luz es la energía que transporta por unidad de superficie por unidad de tiempo luego una luz a igualdad de superficie y de tiempo dándole la luz a algo vale dos luces de la misma intensidad tienen la misma energía una luz de muy poca intensidad tiene poca energía y una luz de muchísima intensidad tiene mucha energía pues herz vio que el que se produjera o no el efecto fotoeléctrico el que salgan electrones no depende de la intensidad de la luz solo de la frecuencia V Luces muy intensas no producían el efecto fotoeléctrico y Luces muy poco intensas sí cuando se producía la intensidad hacía variar el número de electrones que salían pero el que se produjera o no no dependía de la intensidad solo de la frecuencia eso la física clásica no lo podía explicar qué más vio ya me he adelantado algo pero voy a verlo con orden cada metal se caracteriza por un valor de la frecuencia vale si la radiación tiene una frecuencia mayor que esa que la del metal se produce el efecto fotoeléctrico y si es menor no vale a esa frecuencia se le llama frecuencia umbral vale si la frecuencia Es mayor que la umbral se produce el efecto fotoeléctrico si es menor no se produce el efecto fotoeléctrico vale imaginos Yo voy probando sobre un metal vale con frecuencias voy a numerarlos con el dos no con el tres si con la frecuencia cu con el tres si no con la frecuencia 3 he dicho que si si con la frecuencia 3 S entonces la tres la cu la 5 la 6 la si producirán el efecto fotoeléctrico y las frecuencias menores no lo producirán esa frecuencia 3 es la frecuencia umbral vale se suele hablar de frecuencia umbral pero también se habla de longitud de onda umbral acordaos la velocidad de la luz era igual a la longitud de onda por la frecuencia si frecuencia es grande la longitud de onda es pequeña y si la frecuencia es pequeña la longitud de onda es grande vale luego para cada frecuencia umbral hay una longitud de onda umbral si la longitud de onda Es mayor que la umbral es porque la frecuencia es menor no se produce y si la longitud de onda es menor que la longitud de onda umbral sí que se produce bueno Esto lo veremos más claro después con un ejemplo voy a quedar con la frecuencia Bueno vamos a suponer que el efecto fotoeléctrico sí que se ha producido con una luz de intensidad I y frecuencia nu vale Y yo mantengo la frecuencia y vario la intensidad vale al variar la frecuencia como la perdonad al variar la intensidad como la frecuencia es constante lo que hacemos Es variar el número de electrones emitidos pero no su energía ni su velocidad no es quien está relacionado con la energía y con la velocidad y solo con el número de electrones si yo aumento la intensidad aumenta el número de electrones si yo disminuyo la intensidad disminuyo el número de electrones que salen pero no el que salgan con más energía ni con más velocidad vale si ahora mantengo la intensidad constante y vario la frecuencia me encuentro que al aumentarla aumenta la velocidad aumenta la energía con la que salen los electrones pero no hace que salgan más electrones salen los mismos si disminuyera la frecuencia saldrían los mismos electrones pero con menos energía con menos velocidad hasta que si me paso disminuyéndola y bajo por debajo de la umbral ya no salen electrones quién explicó el efecto fotoeléctrico el sabio de ulm Einstein la física clásica no fue capaz de explicarlo pero Einstein en su año maravilloso una foto detin ya más mayor el efecto fotoeléctrico lo explicó el de joven Ah os hago un recordatorio una anécdota atin tiene el premio Nobel Pero no por la teoría de la relatividad sino por la explicación del efecto fotoeléctrico Pero bueno es una anécdota cómo lo explica Bueno pues Einstein dice que la luz tiene naturaleza Dual eso de que era H corp eso de que es hda y corp corpúsculo Vale hasta aquí acordaos de la historia la luz era una onda no era un corpúsculo no era una onda tia electromagnética escient una onda llega este y dice no es un corpúsculo o mejor dicho es las dos cosas tiene naturaleza Dual es onda y corpúsculo se propaga como una onda con una frecuencia determinada y una longitud de onda determinada pero a veces se comporta como un corpúsculo es un conjunto de partículas sin masa solo con energía llamadas fotones y la energía de un fotón es H por nu donde nu es la frecuencia de la radiación vale es onda y corpúsculo en ocasiones se comporta como onda cuando se propaga y cuando interactúa con la materia a nivel atómico lo hace como un corpúsculo el efecto fotoeléctrico se explica suponiendo que interactúa con la materia a nivel corpuscular vale comportándose como un conjunto de partículas llamadas fotones Qué dice este que cuando un fotón de frecuencia no incide sobre un metal de frecuencia umbral no sub cero si la frecuencia del fotón Es mayor que la umbral produce el efecto fotoeléctrico porque tiene más energía que la necesaria para arrancar un electrón parte de su energía la emplea en arrancar el electrón y parte en comunicarle energía cinética Esa es la ecuación básica de aen para el efecto fotoeléctrico la energía un fotón se emplea en arrancar al electrón y en comunicarle energía cinética vale en esta fórmula evidentemente es es la energía del fotón h por nu es sub cer es la energía umbral también se llama trabajo de extracción H por nu sub C donde nu sub c0 la frecuencia umbral del metal y es sub c es la energía cinética de los electrones Claro si los fotones no tienen la frecuencia necesaria no tienen la energía para arrancar el electrón porque esta energía sería menor que esta vale como si dijéramos yo tengo Necesito una energía de 5 julios los fotones que no lleguen nunca a 5 julios nunca pueden arrancar el electrón Ah los que tienen 6 julios lo arrancan como hacían falta cinco le sobra uno los electrones salen con una energía cinética de un Julio vale la idea verdad es que es muy sencill muy importante Bueno vamos a suponer que tenemos dos luces de sub a y no sub B con sub a mayor que la umbral y no sub B menor que el umbral esta produciría el efecto fotoeléctrico y esta no independientemente de la intensidad vamos a suponer que tenemos dos luces igual de intensas V Qué diferencia habría entre ellas la intensidad tiene en cuenta la energía total Luego si la energía de un fotón de estos como tien mayor Es mayor que la energía de un fotón de estos yo puedo tener la misma intensidad cambiando el número de fotones de estos necesito más es más esta luz podría ser más intensa que esta Si en lugar de estos fotones tuviera el doble sería el doble de intensa ahora mismo he dejado que fueran las dos igual de intensas uno de estos fotones tiene más energía estos fotones tienen menos energía el conjunto tiene la misma pero cada uno de los fotones individuales tien menos energía Cómo se produce el efecto fotoeléctrico por choque de un fotón individual luego uno solo de estos fotones arranca un electrón y uno de estos fotones es incapaz de arrancarlo Aunque choquen 1000 fotones como ninguno lo consigue no se consigue vale estos fotones conseguirían el efecto fotoeléctrico si la luz fuera la mitad intensa saldrían dos electrones con una energía determinada si la luz fuera de esta intensidad saldrían cuatro si fuera el doble de intensa saldrían ocho pero todos los fotones perdon todos los electrones saldrían con la misma energía bueno otra forma de escribir la ecuación detin para el efecto fotoeléctrico es esta donde en lugar de Sub cer he puesto W sub oma sub c0 esto era es sub cer es la energía umbral pero ahora recibe el nombre de trabajo de extracción la energía necesaria para arrancar un electrón depende del metal y q por V bueno q es la carga del electrón y v recibe el nombre de potencial de frenado es la energía cinética escrita como q por v y tiene una visión contraria si un electrón sale con una energía cinética de 10 julios yo puedo frenarlo empleando en su contra una energía de 10 julios esa energía que empleó en su contra es energía potencial eléctrica y la puedo escribir como q por V donde V es el potencial que yo debo crear para frenar al electrón por eso se llama potencial de frenado vale q * V es energéticamente igual a energía cinética y v Entonces sería la energía cinética partido q o lo que es lo mismo coincide con el valor de la energía cinética expresada en el electronvoltios luego lo veremos con un problema otra cosa que es interesante es hacer una representación gráfica de he puesto q por V pero vamos energía en función de frecuencia o ahora veremos potencial en función de frecuencia voy a hacerlo con la energía que es un poco más vistoso represento la energía frente a la frecuencia qué me va a salir si analizo esto Esto es una recta una recta dependiente H vale donde me interesa la pendiente hemos dicho que es H la constante de de plan vale Y me interesa este punto y este qué es este punto el valor de la frecuencia que hace que la energía sea cero ha esto cero la frecuencia unbr y qué es este punto el valor de la energía cuando la frecuencia es cer0 vale el valor de la energía cuando la frecuencia es cer0 eso Qué es H por 1 sub 0 Qué era el trabajo de extracción la energía umbral vale Esto es para un metal determinado para todos los para cualquier metal la Gráfica sería exactamente la misma con una diferencia Todas las rectas tendrán la misma pendiente pero cada metal tendrá una frecuencia umbral y en consecuencia una energía umbral vale si yo cojo ahora un metal de mayor frecuencia umbral me saldría una recta parecida paralela a ella pero desplazada donde este punto sería la frecuencia umbral y este punto el trabajo de extracción mayor frecuencia umbral más energía necesito para extraer vale Y si ahora Cojo un metal con menor frecuencia umbral la representación Qué sería pues muy similar vale una recta paralela pero desplazada para allá porque yo necesito menor frecuencia umbral para producir el efecto fotoeléctrico En qué se traduce el que necesite menor frecuencia umbral en que la energía umbral el trabajo de extra es menor vale vamos a ver voy a considerar ahora que tengo un dos tres metales y hago incidir una luz con esta frecuencia como la frecuencia de la luz Es mayor que la frecuencia umbral de este y de este produce el efecto fotoeléctrico pero como la frecuencia de la luz es menor que la frecuencia umbral de este aquí no produce el efecto fotoeléctrico Vale qué energía me proporciona esta luz la miro en el eje de las energías aquí me proporciona esta energía innecesaria pero innecesaria no insuficiente como para producir el efecto fotoeléctrico y aquí me produce esta energía mayor que la necesaria para producir el efecto fotoeléctrico lo veis la energía es aquí esa la que va desde este punto me coincide no no debería desde aquí hasta aquí no llega a la necesaria sobre este me produce esta energía es más que la necesaria entonces produce el efecto fotoeléctrico y este valor que yo mire aquí de aquí hasta aquí sería la energía cinética con la que salen los electrones vale con este tengo más energía tengo mayor frecuencia que el umbral produzco el efecto fotoeléctrico vale me vengo aquí Cuánta energía me está dando este fotón pues de este punto hasta este me están me está dando toda esta energía lo que mida esto Cuál es la energía umbral esta Esa es la energía umbral entonces toda esta energía le quito la energía umbral y me da la energía cinética con la que salen los electrones o visto de otro modo la energía que yo tengo que hacer en contra para que salga yo puedo representar en lugar de energía frente a frecuencia puedo representar potencial frente a frecuencia V visto aquí Esto entonces sería el potencial de frenado vale bueno haremos algún problema Y aclararemos mejor este concepto venga hasta luego