miércoles, 5 de diciembre de 2012

Efecto Fotoeléctrico y el Fotón


Introducción al fotón

El experimento de rendija dobles realizado por Thomas Young en 1801, aporta pruebas fidedignas de que la luz visible es de naturaleza ondulatoria.
Pero existe otra propiedad de la luz que parece  contradecir  que ´´ la luz es una onda ´´




El Fotón

Es la partícula fundamental de las manifestaciones cuánticas del fenómeno electromagnético. Es la partícula portadora de  todas las formas de radiación electromagnética, incluyendo rayos gamma. Rayos X, la luz ultra violeta etc.

Propiedades del Fotón

  No tiene masa
  Viaja con una velocidad constante c
  Se comporta como una onda en fenómenos como la refracción , sin embargo se comporta como una partícula cuando interacciona con la materia para transferir una cantidad fija de energía.
  Vida media estable
  No tiene antipartícula
  Tiene carga eléctrica y colora nula

La luz como fotón

Einstein en  1905 basándose en el trabajo de Planck propuso que la energía E relacionada con un foton es
                          E = hf = hc/ λ
En 1917 einstein fue mas allá, y a cada foton le asigno un momento lineal de magnitud
       p = h/λ
En las ecuaciones anteriores f y λ son respectivamente, la frecuencia y la longitud de onda de la luz incidente, h es la constante de planck.
                  h = 6.626 x 10- 34 j.s


Emisión y absorción de fotones

  Los fotones se emiten en muchos procesos naturales, por ejemplo, cuando se acelera una partícula con carga eléctrica, durante una transición molecular, atómica o nuclear a un nivel de energía más bajo, o cuando se aniquila una partícula con su antipartícula.
  Los fotones se absorben en los procesos de reversión temporal que se corresponden con los ya mencionados

El efecto fotoeléctrico

Si dejamos que una luz monocromática iniciada sobre una superficie metálica, los electrones pueden ser arrojados de ella.

Si producimos una diferencia de potencial adecuada entre el emisor y el receptor, podemos recoger los electrones lanzados y medirlos como una corriente fotoeléctrica i en el circuito externo.


Si el receptor esta en un potencial mas alto que el emisor y la diferencia es bastante grande  la corriente alcanza una constante
Si reducimos a cero la diferencia, la corriente eléctrica no disminuye a cerro. Pero si invertimos el signo y la diferencia es lo bastante grande, inclusive los electrones con mayor energía son devueltos al emisor sin chocar con el receptor y la corriente eléctrica respectivamente se reduce a cero. El modulo de esta diferencia de potencial negativa recibe el nombre de potencial de frenado.

 

Cuando Δv es negativa, los electrones pierden energía cinética y adquieren energía potencial al pasar del emisor el receptor; el cambio de esta ultima en ellos es Δu= qΔv= -eΔv, es una cantidad positiva cuando  Δv es negativa . Los electrones con mayor energía poseen energía cinética  Kmax. El potencial de frenado corresponde a la máxima diferencia de potencial necesaria para que pierdan toda su energía cinética. La conservación de energía (Δu= - Δv) nos da entonces
                 eVo = Kmax



Al  comparar las curvas a y b se advierte el primero de los tres hechos .
1-   si la luz de determinada longitud de onda  incide sobre un emisor, el potencial de frenado no depende de la intensidad


La grafica representa el potencial de frenado en función de la frecuencia, con lo cual llegamos al segundo hecho.
2- la frecuencia de la luz que incide sobre un emisor debe ser mayor que la de cierto valor fo. En caso contrario no se producirá el efecto fotoeléctrico.
Esta frecuencia de corte fo solo depende de la materia del material de cual esta hecho el emisor


La tercera y ultima es que los electrones se emiten de inmediato una vez que  la luz incidente llega a la superficie  del emisor.
Experimentalmente esta probado que es un lapso aproximado de 0.000000001s

Análisis del efecto fotoeléctrico de Einstein

Einstein demostró que el foton explicaba los tres hechos antes mencionados. Y escribió la siguiente ecuación, conocida hoy como la ecuación de Einstein:
                               hf = Ф + Kmax
Esta ecuación indica que un foton individual lleva una energía hf al interior del emisor, donde se transfiere esencialmente a un electrón. Parte de esta energía , llamada función de trabajo Ф del material que constituye el emisor, se  consume al hacer que el electrón escape del emisor; y Kmax que es la energía máxima que el electrón pose una vez que sale del emisor

Consideremos como la ecuación coincide con los tres hechos experimentales de la fotoelectricidad que acabamos de describir:
Hecho 1 :esto se infiere porque si duplicamos  la intensidad de la luz incidente, no  hacemos mas que duplicar la cantidad de interacciones fotón – electrón
Hecho 2: al combinar ecuaciones llegamos a
                       Vo = (h/e)f – (Ф/e)
tanto h como e son constante físicas fundamentales y Ф es una constante de determinado materia. Por lo que la ecuación predice que Vo en función de fe en un emisor debería ser una línea recte con pendiente  h/e.
Efecto fotoeléctrico en la actualidad
El efecto fotoeléctrico es la base de la producción de energía eléctrica por radiación solar y del aprovechamiento energético de la energía solar. El efecto fotoeléctrico se utiliza también para la fabricación de células utilizadas en los detectores de llama de las calderas de las grandes centrales termoeléctricas. Este efecto es también el principio de funcionamiento de los sensores utilizados en las cámaras digitales. También se utiliza en diodos fotosensibles tales como los que se utilizan en las células fotovoltaicas y en electroscopios o electrómetros. En la actualidad los materiales fotosensibles más utilizados son, aparte de los derivados del cobre (ahora en menor uso), el silicio, que produce corrientes eléctricas mayores.






No hay comentarios:

Publicar un comentario