efecto fotoelectrico

5/14/2018 efecto fotoelectrico - slidepdf.com

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Universidad Juárez Autónoma de Tabasco

Practica 5:

Determinación de la constante de Planck

Sergio Jesús Rosete Flores

Universidad Juárez autónoma de Tabasco, Carretera Cunduacán – Jalpa

1.5 km, Cunduacán, Tabasco, c.p. 86690 México

[email protected]




Resumen

efecto fotoeléctrico consiste en la expulsión (o descarga) de electrones cuando una placa de

metal, cargada con electricidad estática, es irradiada con luz. La teoría ondulatoria no

explica satisfactoriamente este fenómeno porque la energía de una onda (continua) se

extiende sobre la superficie del metal. Los cuantos de luz, sin embargo, actúan como

partículas que interaccionan con los electrones del metal, los cuales absorben al cuanto deluz y, luego, son expulsados del metal.

Varios experimentos, con diferentes materiales, se han realizado para comprobar el efecto

fotoeléctrico. De acuerdo a la teoría de Einstein, la luz está formada de partículas y la

energía de cada partícula es proporcional a la frecuencia de la luz. La constante de

proporcionalidad es la llamada constante de Planck. Esta es una constante de la naturaleza y

es muy pequeña pero de gran significado. Es tan pequeña que las propiedades

“cuantizadas” de la luz no las podemos ver pero nos ayudan a explicarnos muchos

fenómenos de la naturaleza.

Para remover al electrón, de la superficie de una placa de metal u otro material sólido, se

necesita una cierta cantidad mínima de energía la cual depende del material. Si la energía

de un fotón es mayor que éste valor mínimo, el electrón es emitido de la superficie del

metal. Es decir, el electrón es expulsado transportando una cierta cantidad de energía

cinética debida a su propio movimiento.




Estas y otras ideas de Einstein revolucionaron al conocimiento moderno de la humanidad.

Con el concepto de la naturaleza dual de la luz, que se comporta como onda y como

partícula, Einstein puso sólidas bases para el desarrollo de la física cuántica.

Hoy se sabe que el átomo exhibe una estructura cuántica, el electrón también tiene

propiedades cuánticas. La teoría cuántica significa el entendimiento del átomo y permite

una explicación de la estructura de la materia. El electrón es la primera de todas las demás

partículas elementales y es de naturaleza cuántica dual (onda-partícula). El efecto

fotoeléctrico, a su vez, es la base de varias tecnologías modernas.[1]

Introducción

En 1905, Albert Einstein publicó un trabajo llamado “Sobre un punto de vista heurístico

concerniente a la producción y transformación de luz”, más conocido como el trabajo sobre

el efecto fotoeléctrico. Fue en este mismo año que Einstein publicó sus otros dos celebrados

trabajos: uno en el que presentó la teoría de la relatividad especial y otro en el que trató

acerca del movimiento browniano.

Planck había considerado que la energía de las partículas que forman las paredes de la

cavidad que produce la radiación de cuerpo negro solamente podía ser emitida o absorbida

en múltiplos enteros de un cuanto o elemento de energía. Es más, llegó a esta hipótesis

como una argucia matemática, sin mayor realidad física, para poder obtener la distribución




que ya había encontrado usando argumentos empíricos de naturaleza puramente

termodinámica.

La idea de que la luz y más generalmente la radiación electromagnética estuviera

compuesta por un conjunto de partículas había sido propuesta por Newton. Sin embargo,

como también se vio, existen en la naturaleza fenómenos como la interferencia y la

difracción que solamente se pueden explicar si la radiación es de naturaleza ondulatoria.

Einstein en su trabajo sugirió que la suposición de que la luz está formada de cuantos

discretos de energía podía ser aplicada a algunos fenómenos que la teoría ondulatoria de la

luz no podía explicar, como por ejemplo, la fluorescencia y el efecto fotoeléctrico.

Con respecto a la fluorescencia, Einstein sugirió la explicación siguiente. Cada cuanto de

radiación o fotón al ser absorbido por los átomos de la sustancia fluorescente (figura 1)

estimula la emisión de uno o más fotones. La suma de las energías de los fotones emitidos

tiene que ser igual a la energía del fotón absorbido, ya que la energía se debe conservar.

Por tanto, si por ejemplo se remiten dos fotones, ´estos deben compartir sus energías de tal

manera que su suma sea igual a la del fotón absorbido. Lo cual significa que la energía de

cada fotón emitido es menor que la del absorbido. Tomando en cuenta que la energía de un

fotón es proporcional a su frecuencia, lo anterior significa entonces que la frecuencia de la

radiación emitida será menor que la de la radiación absorbida.

Este acuerdo apoya el modelo de Einstein en el cual los cuantos de luz, o fotones, se

absorben o emiten en unidades enteras.




Figura 1: Un átomo absorbe un fotón y luego emite dos o más fotones.

Con respecto al efecto fotoeléctrico, Einstein escribió en su trabajo:

La concepción usual, de que la luz esta distribuida continuamente en el espacio en el que se

propaga, encuentra dificultades muy serias cuando uno intenta explicar los fenómenos

fotoeléctricos, tal como los apunto Lenard en su trabajo pionero.

De acuerdo con el concepto de que la luz incidente consiste de cuantos de energía de

magnitud igual al producto de la constante de Planck h por la frecuencia de la luz, sin

embargo, uno puede concebir la expulsión de electrones por la luz de la manera siguiente.

Cuantos de luz penetran la capa superficial del cuerpo (figura 2) y su energía se transforma,

por lo menos en parte, en energía cinética de los electrones. La manera mas sencilla de

imaginar esto es que un cuanto de luz entrega toda su energía a un solo electrón;

supondremos que esto es lo que sucede[...] Un electrón al que se le ha impartido energía

cinética dentro del cuerpo habrá perdido parte de esta energía al tiempo que llegue a la

superficie. Además, supondremos que para poder escapar del metal electrón tiene que hacer

una determinada cantidad de trabajo, característico de la sustancia en cuestión.




La predicción además nos indica que para cada metal la línea correspondiente tiene que ser

precisamente una línea recta. Es más, las rectas que corresponden a distintos metales deben

ser paralelas. Einstein encontró que la inclinación de estas rectas es universal, o sea la

misma para todas las sustancias y está relacionada con la constante de Planck.

De lo que me puedo cerciorar, no hay contradicción entre estas concepciones y las

propiedades del efecto fotoeléctrico observadas (experimentalmente) por Lenard. Si cada

cuanto de energía de la luz incidente, independientemente de todo lo demás, entrega toda su

energía a un solo electrón, entonces la distribución de la energía cinética de los electrones

expulsados será independiente de la intensidad de la luz incidente.

Figura 2: Un fotón de la radiación es absorbido por un electrón de un átomo y como

consecuencia es despedido.

Los datos experimentales disponibles en 1905 solamente sugirieron que las conclusiones de

Einstein eran correctas, pero para 1916 la validez de la relación de Einstein entre la máxima

energía cinética de los electrones y la frecuencia de la radiación absorbida se había

confirmado plenamente.




E. Ladenburg demostró experimentalmente en 1903 que la energía de los electrones

expulsados es independiente de la intensidad de la luz, pero proporcional a su frecuencia.

Posteriormente, en 1912, A. L. Hughes midió la máxima energía cinética de los electrones

emitidos por un buen número de elementos: potasio, calcio, magnesio, cadmio, cinc, plomo,

bismuto y arsénico. Encontró, en primer lugar que efectivamente la energía cinética de los

electrones daba una línea recta al cambiar la frecuencia de la luz. Además encontró que la

inclinación de estas rectas, para todas las sustancias con las que trabajó, era igual, es decir,

era una inclinación universal (ver figura 3).

Figura 3: Predicción de Einstein del comportamiento de la energía cinética de los fotones

despedidos por varios metales.




El efecto fotoeléctrico presentaba otra gran dificultad para la teoría de la radiación de

Maxwell. En 1916, lord Rayleigh estimó que de acuerdo con la teoría de Maxwell a un

electrón dentro de un metal le debería de llevar un periodo de varias horas absorber la

energía suficiente de un haz de radiación para poder escapar. Sin embargo, como ya lo

habían notado J. Elster y H. Geitel en 1900, la aparición de fotoelectrones ocurre

prácticamente en forma simultánea con la iluminación de la superficie del metal. En 1928,

E. O. Lawrence y J. W. Beams encontraron que el intervalo entre la incidencia de la

radiación la aparición de los electrones era menor que 3 × 10−9 segundos. En 1955, A. T.

Forrester y colaboradores establecieron, al trabajar con mayor precisión, que este intervalo

debería ser menor que l0−10 segundos. La explicación de este hecho es muy sencilla de

acuerdo con las ideas de Einstein. Si el efecto fotoeléctrico se debe a la colisión entre un

fotón y un electrón dentro del metal, entonces la transferencia de la energía es

prácticamente instantánea.[2]

Hertz, Heinrich (1857-1894), físico alemán, nació en Hamburgo y estudió en la

Universidad de Berlín. Desde 1885 hasta 1889 fue profesor de física en la Escuela Técnica

de Karlsruhe, y después de 1889 en la Universidad de Bonn. Hertz clarificó y extendió la

teoría electromagnética de la luz, que había sido formulada por el físico británico James

Clerk Maxwell en 1884. Hertz demostró que la electricidad puede transmitirse en forma de

ondas electromagnéticas, las cuales se propagan a la velocidad de la luz y tienen además

muchas de sus propiedades. Sus experimentos con estas ondas le condujeron al




descubrimiento del telégrafo y la radio sin cables. La unidad de frecuencia se denominó

hercio en su honor; su símbolo es Hz.

Teoría cuántica

Teoría física basada en la utilización del concepto de unidad cuántica para describir las

propiedades dinámicas de las partículas subatómicas y las interacciones entre la materia y

la radiación. Las bases de la teoría fueron sentadas por el físico alemán Max Planck, que en

1900 postuló que la materia sólo puede emitir o absorber energía en pequeñas unidades

discretas llamadas cuantos. Otra contribución fundamental al desarrollo de la teoría fue el

principio de incertidumbre, formulado por el físico alemán Werner Heisenberg en 1927, y

que afirma que no es posible especificar con exactitud simultáneamente la posición y el

momento lineal de una partícula subatómica.

Planck nació en Kiel el 23 de abril de 1858 y estudió en las universidades de Múnich y

Berlín. Fue nombrado profesor de física en la Universidad de Kiel en 1885, y desde 1889

hasta 1928 ocupó el mismo cargo en la Universidad de Berlín. En 1900 Planck formuló que

la energía se radia en unidades pequeñas separadas denominadas cuantos. Avanzando en el

desarrollo de esta teoría, descubrió una constante de naturaleza universal que se conoce

como la constante de Planck. La ley de Planck establece que la energía de cada cuanto es

igual a la frecuencia de la radiación multiplicada por la constante universal. Sus

descubrimientos, sin embargo, no invalidaron la teoría de que la radiación se propagaba por

ondas. Los físicos en la actualidad creen que la radiación electromagnética combina las




propiedades de las ondas y de las partículas. Los descubrimientos de Planck, que fueron

verificados posteriormente por otros científicos, fueron el nacimiento de un campo

totalmente nuevo de la física, conocido como mecánica cuántica y proporcionaron los

cimientos para la investigación en campos como el de la energía atómica. Reconoció en

1905 la importancia de las ideas sobre la cuantificación de la radiación electromagnética

expuestas por Albert Einstein, con quien colaboró a lo largo de su carrera.

Constante de Planck. Constante física fundamental simbolizada por la letra h. Su

existencia fue descubierta en 1900 por el físico alemán Max Planck. Hasta entonces se creía

que todas las formas de radiación electromagnética estaban constituidas por ondas. Planck

observó ciertas desviaciones de la teoría ondulatoria en el caso de las radiaciones emitidas

por los llamados cuerpos negros, que absorben y emiten radiación de forma perfecta.

Planck llegó a la conclusión de que la radiación electromagnética se emite en unidades

discretas de energía, llamadas cuantos. Esta conclusión fue el primer enunciado de la teoría

cuántica. Según Planck, la energía de un cuanto de luz es igual a la frecuencia de la luz

multiplicada por una constante. Desde entonces, la teoría de Planck ha sido verificada

experimentalmente en muchas ocasiones, y el desarrollo de la teoría cuántica ha producido

un cambio radical en el concepto que se tiene en física de la luz y de la materia; en la

actualidad, se considera que ambas combinan las propiedades de una onda y de una

partícula. Así, la constante de Planck se ha vuelto tan importante para la investigación de

las partículas de materia como para los cuantos de luz, ahora denominados fotones. La




primera medida fiable de la constante de Planck (1916) se debió al físico estadounidense

Robert Millikan. El valor actualmente aceptado es h = 6,626 × 10-34 julios· segundo.[3]

Teoría

La constante de Planck, simbolizada con la letra h (o bien ħ=h/2π, en cuyo caso se conoce

como constante reducida de Planck), es una constante física que representa al cuantoelemental de acción. Es la relación entre la cantidad de energía y de frecuencia asociadas a

un cuanto o a una partícula. Desempeña un papel central en la teoría de la mecánica

cuántica y recibe su nombre de su descubridor, Max Planck, uno de los padres de dicha

teoría.

La constante de Planck relaciona la energía E de los fotones con la frecuencia ν de la onda

lumínica (letra griega Nu o Ni) según la fórmula:

Dado que la frecuencia ν, longitud de onda λ, y la velocidad de la luz c están relacionados

por ν λ = c, la constante de Planck también puede ser expresada como:

Planck encontró en 1900 que sólo era posible describir la radiación del cuerpo negro de una

forma matemática que correspondiera con las medidas experimentales, haciendo la

suposición de que la materia sólo puede tener estados de energía discretos y no continuos.

http://es.wikipedia.org/wiki/Constante_f%C3%ADsica

http://es.wikipedia.org/wiki/Acci%C3%B3n_(f%C3%ADsica)

http://es.wikipedia.org/wiki/Mec%C3%A1nica_cu%C3%A1ntica


http://es.wikipedia.org/wiki/Max_Planck

http://es.wikipedia.org/wiki/Fot%C3%B3n

http://es.wikipedia.org/wiki/Ny

http://es.wikipedia.org/wiki/1900

http://es.wikipedia.org/wiki/Cuerpo_negro

http://es.wikipedia.org/wiki/Cuerpo_negro

http://es.wikipedia.org/wiki/1900

http://es.wikipedia.org/wiki/Ny


http://es.wikipedia.org/wiki/Max_Planck



http://es.wikipedia.org/wiki/Acci%C3%B3n_(f%C3%ADsica)

http://es.wikipedia.org/wiki/Constante_f%C3%ADsica




La idea era que la radiación electromagnética emitida por un cuerpo negro se podía modelar

como una serie de osciladores armónicos con una energía cuántica de la forma:

es la energía de los fotones de radiación con una frecuencia (Hz) de (letra griega Nu) o

frecuencia angular (radianes /s) de (omega).

Este modelo se mostró muy exacto y se denomina ley de Planck.

El mismo Planck, cuando publicó sus resultados sobre la radiación del cuerpo negro,

afirmaba que su hipótesis sin duda debía ser falsa. El tiempo ha demostrado que se

equivocaba al pensar que se equivocaba, es decir: el universo es cuántico (no continuo) de

acuerdo a todo lo que hasta ahora saben los físicos.

Planck tumbó por completo, con esta hipótesis, todo aquello en que se basa la mecánica

clásica, en la que lo continuo se usa y entiende de forma natural.

Aunque a nivel macroscópico no parece ser así, a nivel microscópico resulta ser cierto. El

minúsculo valor de la constante de Planck significa que a nivel macroscópico es

despreciable el efecto de esta "cuantización" o "discretización" de los valores energéticos

posibles, y por tanto los valores de la energía de cualquier sistema nos parece que pueden

variar de forma continua.

Se inauguró así una nueva forma de pensar en física, que se ha desarrollado a lo largo de

todo el siglo XX gracias al esfuerzo de numerosos y brillantes pensadores, dando lugar al

nacimiento de la física cuántica.

http://es.wikipedia.org/wiki/Radiaci%C3%B3n_electromagn%C3%A9tica

http://es.wikipedia.org/wiki/Oscilador_arm%C3%B3nico


http://es.wikipedia.org/wiki/Frecuencia

http://es.wikipedia.org/wiki/Hertz

http://es.wikipedia.org/wiki/Nu

http://es.wikipedia.org/wiki/Frecuencia_angular

http://es.wikipedia.org/wiki/Radianes

http://es.wikipedia.org/wiki/Segundo

http://es.wikipedia.org/wiki/Omega

http://es.wikipedia.org/wiki/Ley_de_Planck

http://es.wikipedia.org/wiki/Mec%C3%A1nica_cl%C3%A1sica


http://es.wikipedia.org/wiki/F%C3%ADsica_cu%C3%A1ntica

http://es.wikipedia.org/wiki/F%C3%ADsica_cu%C3%A1ntica



http://es.wikipedia.org/wiki/Ley_de_Planck

http://es.wikipedia.org/wiki/Omega

http://es.wikipedia.org/wiki/Segundo

http://es.wikipedia.org/wiki/Radianes

http://es.wikipedia.org/wiki/Frecuencia_angular

http://es.wikipedia.org/wiki/Nu

http://es.wikipedia.org/wiki/Hertz

http://es.wikipedia.org/wiki/Frecuencia


http://es.wikipedia.org/wiki/Oscilador_arm%C3%B3nico

http://es.wikipedia.org/wiki/Radiaci%C3%B3n_electromagn%C3%A9tica




La constante de Planck es uno de los números más importantes del universo al alcance del

conocimiento humano. Su trascendencia real a nivel físico y filosófico aún no se conoce

completamente. [4]

Practica 6.- Determinación de la constante de Planck

Selección de la longitud de onda con filtros de interferencia sobre el banco óptico

Objetivos del experimento

Comprobación del efecto fotoeléctrico.

Medición de la energía cinética de los electrones en función de la frecuencia de la

luz.

Determinación de la constante de Planck h.

Demostración de la independencia de la energía cinética de los electrones respecto

de la intensidad de la luz.

Fundamentos

Si se irradia luz de longitud de onda suficientemente corta pueden extraerse electrones de la

superficie de determinados metales (efecto fotoeléctrico). Su energía dependerá solamente

de la frecuencia ν de la luz incidente pero no de su intensidad; ésta sólo determina la

cantidad de electrones extraídos. Este fenómeno contradice la física clásica y fue




interpretado por primera vez en 1905 por Albert Einstein. Él supuso que la luz consiste en

un haz de partículas, los llamados fotones, cuya energía E es proporcional a la frecuencia:

Fig. 1 Montaje esquemático de un experimento para medir la constante de Planck h

mediante el efecto fotoeléctrico. La luz monocromática (generada por un filtro de longitud

de onda F) incide sobre el cátodo K de una celda fotoeléctrica. Los electrones arrancados

llegan al ánodo A y cargan el capacitor C hasta una tensión límite U 0.

El factor de proporcionalidad h recibe el nombre de constante de Planck y es una

importante constante de la naturaleza. Según esta interpretación corpuscular de la luz, cada

fotoelectrón es arrancado por un fotón y abandona el átomo con la energía cinética




Donde W C representa el trabajo necesario para que el electrón salga del metal. Este valor es

distinto para cada metal.

Para determinar la constante de Planck h se hace incidir luz monocromática (o sea, de una

determinada longitud de onda) sobre una celda fotoeléctrica, y se mide la energía cinética

E cin de los electrones salientes.

La figura 1 muestra el montaje esquemático de este experimento. La luz pasa a través de un

ánodo con forma de anillo (aquí un alambre de platino) e incide sobre una capa de potasio.

El potasio es un buen material para hacer cátodos debido al reducido trabajo necesario para

extraer electrones: los electrones de valencia se encuentran muy débilmente ligados en los

metales alcalinos.

Algunos de los fotoelectrones llegan al ánodo y forman allí la denominada fotocorriente I .

Si se hace retardar el movimiento de los electrones mediante una tensión negativa que se

incrementa continuamente, la fotocorriente decrecerá también de manera continua. La

tensión a la cual la fotocorriente se anula es denominada tensión límite U 0. Llegado este

punto, tampoco los electrones más débilmente ligados (o sea, aquellos con la menor energía

W C y, por ende, los de mayor energía cinética) podrán contrarrestar la tensión del ánodo. En

este experimento, la tensión del ánodo es producida por un capacitor que cargan los




electrones incidentes hasta una tensión límite U 0 (comparar con figura 1). Teniendo el valor

de la tensión límite U 0 puede calcularse la energía de estos electrones débilmente ligados:

e = carga elemental

W ya no es aquí la energía W C del cátodo, ya que en el balance de energía debe tenerse en

cuenta también el potencial de contacto entre cátodo y ánodo.

Las mediciones se realizan para diversas longitudes de onda λ, o bien frecuencias

c: velocidad de la luz en el vacío

de la luz irradiada. Si se incrementa la frecuencia de la luz incidente en una cantidad Δν, se

elevará la energía de los electrones en h · Δν La tensión límite debe ser incrementada en

ΔU 0 para volver a compensar el crecimiento de la fotocorriente.

Si se representa la tensión límite U 0 (ν) en función de ν, se obtiene, según (III), una recta de

pendiente:




Conociendo la carga elemental e se obtiene de ahí la constante de Planck h. Para la

selección de la longitud de onda se utilizan en el experimento filtros de interferencia de

banda angosta, cada uno de los cuales selecciona con precisión una línea respectivamente

de la luz espectral de la lámpara de mercurio de alta presión. La indicación de longitud de

onda que viene en cada filtro corresponde a la longitud de onda de la línea de mercurio

transmitida.

Equipo

1 celda fotoeléctrica para determinar h

1 montura para celda fotoeléctrica

1 lámpara de mercurio de alta presión

1 portalámparas E27 con ficha múltiple

1 bobina de reactancia universal 230 V, 50 Hz

1 lente f = + 100 mm

1 diafragma de iris

1 rueda de filtros con diafragma de iris

1 filtro de interferencia 578 nm







1 electrómetro amplificador

1 fuente de alimentación 230 V/12V~/20 W

1 capacitor STE 100 nF, 630 V

1 pulsador STE (interruptor), de un punto

1 voltímetro de CC

1 banco óptico, perfil normal 1m

o bien

1 carril adicional 0,5 m

2 jinetillos ópticos, H = 90 mm/B = 50 mm

3 jinetillos ópticos, H = 120 mm/B = 50 mm

2 enchufes de bornes

1 casquillo BNC

1 adaptador BNC/4 mm, 1 polo




1 ficha de acople

1 enchufe múltiple cuadrado

Cables

Consejo para la seguridad

La lámpara de mercurio de alta presión emite luz ultravioleta, por lo que puede ocasionar

daños en los ojos.

Cuidar los ojos del haz directo de la lámpara de mercurio de alta presión y del

reflejado.

Prestar siempre atención a las instrucciones de uso de la lámpara de mercurio de alta

presión.

Montaje

Montaje óptico:

Indicación: La lámpara de mercurio de alta presión alcanza su intensidad máxima recién

luego de 10 minutos de calentamiento.




Poner en funcionamiento esta lámpara directamente al comenzar el montaje para poder

empezar con las mediciones inmediatamente después de haberlo finalizado.

La figura 2 muestra el montaje del experimento; la posición del borde izquierdo del jinetillo

óptico está dada aquí en cm.

Conectar la bobina de reactancia universal a la red mediante el enchufe múltiple

cuadrado.

Montar la lámpara de mercurio de alta presión mediante el jinetillo óptico (H = 90

mm) según la indicación de posición, conectar al enchufe múltiple y encender.

Asegurar la celda fotoeléctrica con un jinetillo óptico (H = 90 mm) según la

indicación de posición, quitar su cubierta sellada y ubicarla de forma que su

superficie negra con recubrimiento mire a la lámpara de mercurio.

Montar en el banco óptico el diafragma de iris con un jinetillo óptico (H = 120 mm)

según indicación de la posición.

Montar la lente con un jinetillo óptico (H = 120 mm) según indicación de la

posición; ajustar la altura de forma que el punto medio de la lente quede a la misma

altura que el punto medio del diafragma de iris.

Ahora, la luz de la lámpara de mercurio debe verse nítidamente sobre la parte ennegrecida

(la zona sensible) de la celda fotoeléctrica. Procurar aquí que la luz no incida ni sobre el

anillo de metal ni sobre la parte de la zona ennegrecida a la cual están unidos los contactos.

También debe evitarse iluminar los márgenes.




Para ello, proceder de la manera siguiente y repetir tantas veces como sea necesario hasta

lograr la optimización:

Modificar la altura del diafragma de iris y de la lente de forma que la mancha de luz

caiga sobre la zona ennegrecida de la celda fotoeléctrica, manteniendo siempre el

punto medio de la lente a la misma altura que el del diafragma; variar

eventualmente también la altura de la celda fotoeléctrica y su inclinación (mediante

el tornillo debajo del zócalo).

Ajustar el tamaño de la mancha luminosa con ayuda del diafragma de iris hasta

lograr que la mayor parte de la zona ennegrecida de la celda fotoeléctrica sea

iluminada, exceptuando los márgenes, el anillo metálico y los contactos en la capa

ennegrecida.

Modificar eventualmente la nitidez de la mancha luminosa desplazando la lente

sobre el banco óptico.




Fig. 2 Montaje del experimento en el banco óptico con indicación de la posición en cm para

el costado izquierdo del jinetillo óptico. a lámpara de mercurio de alta presión, b diafragma

de iris, c lente, f = 100 mm, d rueda de filtros con filtros de interferencia, e celda

fotoeléctrica.

Indicación: Una vez realizados estos ajustes, no modificarlos.

Colocar la cubierta sellada en la celda fotoeléctrica.

Ubicar la rueda de filtros con el diafragma de iris mediante el jinetillo óptico (H =

120 mm) exactamente delante de la celda fotoeléctrica en el banco óptico. Unir el

diafragma de la rueda de filtros con la cubierta sellada de la celda fotoeléctrica para

evitar que entre luz dispersa en dicha celda.

Montaje eléctrico:




Los electrones que aparecen en el anillo de metal de la celda fotoeléctrica cargan un

capacitor y crean así la tensión límite U 0, necesaria para determinar la energía cinética.

Medir la tensión del capacitor con un electrómetro amplificador.

La conexión para el electrómetro amplificador se realiza según la figura 3:

Conectar los enchufes de bornes (f) y acoplarle el capacitor de 100 pF y el pulsador.

Colocar la ficha de acople (g), conectar el adaptador BNC/4 mm y el casquillo BNC

y unir con el cable gris apantallado de la celda fotoeléctrica.

Conectar sendos cables negros (h) de la celda fotoeléctrica a la conexión de masa

del electrómetro amplificador.

Conectar el multímetro a la salida del electrómetro amplificador.

Además:

Conectar la fuente de alimentación (12 V) para alimentar el electrómetro

amplificador y conectar a la red mediante el enchufe múltiple.

Interconectar el banco óptico (eventualmente también el mango de la montura para

la celda fotoeléctrica), la conexión de masa del electrómetro amplificador y la

conexión externa a tierra del enchufe múltiple.




Fig. 3 Conexión del electrómetro amplificador para medir la tensión límite U 0.

Realización

Indicaciones:

Una capa del anillo del ánodo con potasio de la capa fotosensible del cátodo puede causar

una corriente de electrones que interfiera:

Calentar el anillo del ánodo según las instrucciones de uso de la celda fotoeléctrica.




La impurezas de la celda fotoeléctrica pueden provocar corrientes de fuga entre el ánodo y

el cátodo, que pueden influir en la medición de la tensión límite U 0.

Limpiar la celda fotoeléctrica con alcohol.

La tensión en el capacitor también puede recibir efectos del exterior:

Durante la medición realizar los mínimos movimientos posibles.

No es necesario oscurecer el ambiente; esto no influye en los resultados de la medición.

Conectar el multímetro y seleccionar la escala de 1 V CC.

Girar el filtro de interferencia para luz amarilla (λ Hg = 578 nm) e interponerlo en el

paso del haz.

Descargar el capacitor; para ello, mantener presionado el pulsador hasta que el

multímetro marque 0 V.

Liberar el pulsador y comenzar la medición; esperar entre 30 segundos y un minuto

hasta que el capacitor se haya cargado hasta la tensión límite U 0. Anotar el valor de

U 0.

Girar el filtro de interferencia para luz verde (λ Hg = 546 nm), interponerlo en el

paso del haz y repetir la medición.

Subir la escala hasta 3 V y repetir las mediciones para los filtros de interferencia

azul (λ Hg = 436 nm) y violeta (λ Hg = 405 nm).




Con el diafragma de iris de la rueda de filtros variar la intensidad de la luz que

incide en la celda fotoeléctrica y determinar en cada caso la tensión límite U 0.

Indicación: Si el diafragma de iris se cierra demasiado, se modifica la iluminación regular

de la mancha lumínica sobre el cátodo. Además, las corrientes de fuga cumplen un papel

cada vez más importante.

Arreglo experimental:

A continuación se muestra la imagen 1, en la cual se ve como quedo estructurado nuestro

arreglo experimental

Imagen 1.- muestra el arreglo experimental usado en esta práctica.




Resultados experimentales:

A continuación se muestra una tabla en la cual organizamos los datos obtenidos durante el

experimento

Con los datos obtenidos realizamos la siguiente grafica, en la cual los datos de eje x

corresponden a la frecuencia v que están dados en Thz y los datos del eje y corresponden a

las tensiones U0 que están dados en V.

COLOR LONGITUD DE ONDA

(nm)

FRECUENCIA

(Thz)

TENSION LIMITE

U0(V)

Amarillo 578 519 0.59

Verde 546 549 0.78

Azul 436 688 0.83

Violeta 405 741 0.96




La pendiente de la recta está dada por:

Se sabe que , se despeja para h entonces:

()

El valor obtenido para h es:




Ahora se calcula la propagación de error de la siguiente forma:

Suponiendo y

√

Entonces

√

Haciendo los cálculos resulta

Por lo tanto el resultado final será:




el valor de la constante de Planck obtenida por nosotros en el experimento vemos que se

aleja de su valor establecido el cual es::

Conclusiones:

En el desarrollo de esta práctica, vimos en que consiste el efecto fotoeléctrico, ya que al

emitir luz algún metal (ó cargar el metal con electricidad estática) se desprenden

electrones, los cuales se liberan por la acción de la radiación. Para remover al electrón, de

la superficie de una placa de metal u otro material sólido, se necesita una cierta cantidad

mínima de energía la cual depende del material. Si la energía de un fotón es mayor que éste

valor mínimo, el electrón es emitido de la superficie del metal. Es decir, el electrón es

expulsado transportando una cierta cantidad de energía cinética debida a su propio

movimiento.

Ahora bien vemos que el valor que obtuvimos de la constante de Planck esta muy lejana al

valor establecido, esto se debe a que la célula fotoeléctrica no estaba funcionando de la

mejor manera. Por consecuencia los valores que obtuvimos de las tensiones estaban

alteradas, entonces, cabe a destacar que el valor que calculamos de la constante de Planck

no estaba correcto (aun con el margen de error).




Bibliografía:

[1] Flores N. E. ,Figueroa J. E. ,Física Moderna, Pearson Prentice Hall, México,

2007.

[2] Tipler A. Paul; Física Moderna. Editorial Reverte S. A., Barcelona, 2003

[3] Taylor F. Edwin French P. A. Introducción a la Física Cuántica. Editorial

Reverte S: A. Barcelona, 2003

[4] Sear y Zemansky, Física Universitaria, Addison Wesley, México 1998.

efecto fotoelectrico

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