Efecto Fotoelectrico

1.
1.1.

EFECTO FOTOELECTRICO
Objetivo

El prop´sito de esta pr´ctica estudiar uno de los fen´menos m´s importantes que dieron origen a o a o a la f´ ısica cu´ntica: el efecto fotoel´ctrico. Para ello se utiliza un fototubo, el cual es esencialmente un a e transductor que convierte la luz en corriente el´ctrica. Se mide el potencial de frenado como funci´n e o de la frecuencia de laradiaci´n incidente sobre el c´todo del fototubo. A partir de la relaci´n lineal o a o entre estas dos cantidades se determina la constante de Planck y la funci´n trabajo del material. o Adicionalmente, a) se demuestra la dependencia lineal entre la fotocorriente y la intensidad de la radiaci´n incidente sobre el c´todo del fototubo y b) se mide la fotocorriente como funci´n del voltaje o a o aplicado alfototubo para una intensidad de radiaci´n constante. o

1.2.

Materiales
Kit con fototubo. Cuatro LEDs (light emitting diode) de diferentes colores y longitud de onda conocida. Dos mult´ ımetros. Cables de conexi´n. o

1.3.

Resumen te´rico o

El efecto fotoel´ctrico consiste en la emisi´n de electrones de la superficie de un material cuando e o sobre esta incide radiaci´nelectromagn´tica, ver figura 1 o e
Radiación incidente Fotoelectrones -e Radiación Emisor
Tubo al vacio

colector

A Amperímetro

Fuente de voltaje Metal ( Voltaje V )

Figura 1: Efecto fotoel´ctrico. e

Figura 2: Montaje experimental cl´sico para estua diar el efecto fotoel´ctrico. e

Para que se presente la emisi´n de electrones, la radiaci´n debe tener una m´ o o ınima frecuencia denominadafrecuencia umbral por debajo de la cual no se presenta la emisi´n de electrones sin o importar cuan intensa sea la radiaci´n incidente. El efecto fotoel´ctrico fue descubierto y descrito o e por Heinrich Hertz en 1887, pero la explicaci´n te´rica fue hecha por Albert Einstein en 1905. o o El esquema fundamental para el estudio del efecto fotoel´ctrico se muestra en la figura 2, el cual e consta de untubo al vac´ con dos electrodos; y sobre uno de ellos incide radiaci´n la cual hace que se ıo o emitan electrones. Estos electrones pueden ser acelerados o frenados mediante la fuente de voltaje. La corriente generada por estos electrones se denomina fotocorriente y es medida con un amper´ ımetro. La energ´ cin´tica Ek m´xima de los electrones se determina aplicando un voltaje denominado ıa e avoltaje de frenado Vs y es el voltaje para el cual la fotocorriente es cero. De la conservaci´n de o la energ´ se sigue que Ek = eVs , donde e es la carga del electr´n. Al considerar la cuantizaci´n ıa o o del campo electromagn´tico Einstein considera que la energ´ de un fot´n incidente es hf (donde e ıa o h = 6.626068 × 10−34 m2 kg/s es la constante Planck y f es la frecuencia de la radiaci´n) y queo esta energ´ se utiliza para extraer el electr´n del material donde se requiere hacer un trabajo ϕ y el ıa o 1

ESCUELA COLOMBIANA DE INGENIERIA

resto de la energ´ la gana el electr´n en forma de energ´ cin´tica Ek . As´ al aplicar la conservaci´n ıa o ıa e ı, o de la energ´ de nuevo se sigue que ıa hf = Ek + ϕ de esta ultima ecuaci´n ´ o h 1 f− ϕ (1) e e As´ el potencial de frenado esdirectamente proporcional a la frecuencia de la radiaci´n incidente ı, o a y la constante de proporcionalidad es la constante h . Lo anterior significa que una gr´fica de Vs en e funci´n de f es una linea recta con pendiente p = h y punto de corte con el eje vertical igual a − ϕ , o e e ver figura 3. Observ´se, que el valor de la pendiente depende solo de constante fundamentales, es e decir no depende dela naturaleza del c´todo. a Vs =
Vs

o

hf = eVs + ϕ

h p= e f f - e

Figura 3: Montaje experimental.

1.4.

Montaje experimental

El montaje expeimental que usaremos para estudiar el efecto fotoelectrico se muestra en la figura 4. Este consiste de un fototubo al vac´ que encierra dos electrodos (´nodo y c´todo), un ıo a a sistema de dos bater´ y un potenci´metro para establecer...