Heinrich Hertz descubrió el fenómeno de la emisión fotoeléctrica en 1887. Se dio cuenta de que cuando el espacio de chispa está abierto, conduce la electricidad con mayor facilidad. La luz ultravioleta de la lámpara de arco ilumina el emisor.
Durante los años 1886-1902, Hallwachs y Lenard estudiaron en profundidad la emisión fotoeléctrica. Cuando se permite que la radiación ultravioleta caiga sobre la placa emisora de un tubo de vidrio al vacío que contiene dos electrodos, la corriente fluye a través del circuito, según Lenard. El flujo de corriente se detuvo tan pronto como se apagaron las radiaciones UV. Estos hallazgos sugieren que cuando la luz ultravioleta golpea la placa emisora, los electrones son expulsados y el campo eléctrico los atrae hacia la placa colectora positiva.
Como resultado, la luz que cae sobre la superficie del emisor hace que la corriente fluya a través del circuito externo. Hallwachs y Lenard observaron cómo cambiaba esta fotocorriente con el potencial de la placa colectora, así como con la frecuencia y la intensidad de la luz. Se descubrió que ciertos metales, como el zinc, el cadmio y el magnesio, respondían solo a la luz ultravioleta con una longitud de onda corta que provocaba la emisión de electrones desde la superficie. Sin embargo, algunos metales alcalinos, como el litio, el sodio, el potasio, el cesio y el rubidio, son sensibles a la luz visible. Cuando estos compuestos fotosensibles son irradiados por la luz, todos emiten electrones.
¿Qué es el efecto fotoeléctrico?
El fenómeno de emisión de electrones por parte de ciertas sustancias (digamos metales), cuando se exponen a radiaciones de frecuencias adecuadas se denomina efecto fotoeléctrico y los electrones emitidos se denominan fotoelectrones.
El efecto fotoeléctrico es un fenómeno de un fotón-un electrón. Un fotón no puede expulsar más de un fotoelectrón.
Estudio experimental del efecto fotoeléctrico
Heinrich Hertz descubrió el fenómeno de la emisión fotoeléctrica en 1887. La disposición experimental de Hertz para el estudio del efecto fotoeléctrico se muestra en la siguiente imagen.
Célula fotoeléctrica
Consiste en,
- Tubo de vidrio al vacío
- Placa fotosensible (C)
- Placa metálica (A)
- Fuente de luz (S) [Lun
- luz cromática]
- Ventana de cuarzo (W)
La luz monocromática de la fuente de longitud de onda suficientemente corta entra en el tubo a través de una ventana de cuarzo y cae sobre la placa fotosensible C que actúa como emisor. Los electrones son emitidos por la placa C y son recogidos por la placa A (colector), el campo eléctrico es creado por la batería.
La diferencia de potencial aplicada entre las placas se puede cambiar mediante la disposición del divisor de potencial. Por medio de la llave del conmutador, la placa A se puede mantener en el potencial positivo o negativo deseado con respecto a la placa C.
Las observaciones importantes son,
- Cuando la luz incide sobre la placa emisora, se emiten los fotoelectrones.
- Los fotoelectrones son atraídos por la placa positiva A.
- La emisión de electrones provoca el flujo de corriente eléctrica en el circuito.
- La diferencia de potencial entre las placas del emisor y el colector se mide con el voltímetro (V), mientras que la corriente fotoeléctrica que fluye en el circuito se mide con el microamperímetro (UA).
La variación en los efectos fotoeléctricos depende de los siguientes factores
- Frecuencia.
- Intensidad.
- La diferencia de potencial entre las placas A y C.
- La naturaleza del material de la placa C.
Efecto de la frecuencia en la corriente fotoeléctrica
A la placa colectora A se le da un potencial positivo apropiado. La frecuencia de la luz incidente aumenta gradualmente desde su valor más pequeño mientras que la intensidad de la radiación incidente permanece constante. Se observa que hasta que se alcanza una frecuencia específica u, no se registra corriente fotoeléctrica [Consulte la imagen a continuación].
Variación de la corriente fotoeléctrica con una frecuencia de radiación incidente
Esta frecuencia es una propiedad del material de la placa emisora C, conocida como frecuencia umbral para ese metal, y se denota por v.
Frecuencia umbral
La frecuencia umbral es la frecuencia más baja de la radiación entrante para la cual los fotoelectrones simplemente se liberan del material fotosensible.
La frecuencia umbral de la placa emisora C varía según el material. La longitud de onda umbral es la longitud de onda que corresponde a la frecuencia umbral (v). Si λ > λ o , la fotoemisión no es posible.
Efecto de la intensidad de la luz sobre la corriente fotoeléctrica
La placa colectora A se mantiene a un potencial positivo en relación con la placa emisora C, atrayendo los electrones emitidos desde C hacia A. La intensidad de la luz se modifica mientras que la frecuencia de la radiación incidente y el potencial de aceleración permanecen constantes, y la corriente fotoeléctrica resultante es supervisado. Se observa que la corriente fotoeléctrica aumenta linealmente con la intensidad de la luz, como se muestra en la imagen a continuación.
Variación de la corriente fotoeléctrica con la intensidad de la luz
El número de fotoelectrones emitidos por segundo es exactamente proporcional a la corriente fotoeléctrica. Esto significa que la velocidad a la que se emiten los fotoelectrones es proporcional a la intensidad de la energía incidente.
Nota: Más fotos, no fotones más energéticos, son producidos por una luz más brillante.
Efecto de la diferencia de potencial sobre la corriente fotoeléctrica
La frecuencia y la intensidad del umbral de radiación incidente se mantienen constantes en un valor razonable. El potencial positivo de la placa A aumenta constantemente y la corriente fotoeléctrica resultante se mide cada vez. Se ha descubierto que a medida que crece el positivo (potencial de aceleración), también lo hace la corriente fotoeléctrica. Todos los electrones liberados son capturados por la placa A en algún punto para un potencial positivo particular y picos de corriente fotoeléctrica. La corriente fotoeléctrica no aumenta a medida que aumenta más el potencial positivo de la placa A. La corriente de saturación se refiere al valor más alto de la corriente fotoeléctrica.
La llave del conmutador ahora está invertida y la placa A recibe un potencial negativo (retardo) en relación con la placa C. El potencial negativo de la placa A aumenta gradualmente hasta que la corriente fotoeléctrica se reduce a cero. El potencial negativo mínimo V_{0} dado a la placa A para el cual la corriente fotoeléctrica se detiene o se vuelve cero se denomina potencial de corte o de frenado.
Variación de corriente fotoeléctrica con potencial de placa colectora para diferentes intensidades de radiación incidente
La energía de todos los fotoelectrones liberados de una superficie metálica no es la misma. Cuando el potencial de frenado es adecuado para rechazar incluso los fotoelectrones más energéticos con la energía cinética más alta, la corriente fotoeléctrica se vuelve cero y
1 / 2 mv 2 máx = eV 0 .
dónde
v max es la velocidad máxima del fotoelectrón,
m es la masa del electrón, y
e es la magnitud de la carga en el electrón.
Cuando la frecuencia de la radiación incidente se mantiene constante y el experimento se repite con intensidades variables del haz incidente, se descubre que V permanece constante en todas las circunstancias, vea la imagen de arriba. El potencial de frenado y la energía cinética máxima de los fotoelectrones son independientes de la intensidad de la radiación entrante para una determinada frecuencia de radiación incidente.
Variación de corriente fotoeléctrica con potencial de placa colectora para diferentes frecuencias de radiación incidente
En la figura se ilustra el ajuste de la misma intensidad de la radiación entrante a varias frecuencias para estudiar la fluctuación de la corriente fotoeléctrica con el potencial de la placa colectora. Para la radiación entrante de varias frecuencias, se alcanzan diferentes valores de potencial de parada pero los mismos valores de corriente de saturación. La energía de un fotoelectrón liberado es proporcional a la frecuencia de la luz entrante. Cuando aumenta la frecuencia de la radiación entrante, el potencial de frenado se vuelve más negativo.
Como se muestra, el siguiente gráfico entre la frecuencia de la radiación entrante y el potencial de frenado relacionado para varios metales se compone de líneas rectas.
Variación del potencial de frenado con la frecuencia de las radiaciones incidentes
El gráfico muestra que, para un material fotosensible particular, el potencial de frenado varía linealmente con la frecuencia de la radiación entrante, y existe una frecuencia de corte mínima v 0 por debajo de la cual el potencial de frenado es cero.
Ejemplos de preguntas
Pregunta 1: ¿Defina la frecuencia umbral y la función de trabajo fotoeléctrico?
Responder:
Frecuencia umbral: La frecuencia umbral es la frecuencia más baja de la radiación entrante para la cual los fotoelectrones simplemente se liberan del material fotosensible.
Función de trabajo fotoeléctrico: La función de trabajo fotoeléctrico es el umbral de energía requerido por la radiación o fotones que inciden sobre la superficie del metal. Podemos usar el término radiación indistintamente con fotones en este caso.
ϕ=hν 0
donde h es la constante de Planck y ν 0 es la frecuencia umbral.
Pregunta 2: ¿Qué es el efecto fotoeléctrico? ¿Enunciar y explicar sus características?
Responder:
El fenómeno de emisión de electrones por parte de ciertas sustancias (digamos metales), cuando se exponen a radiaciones de frecuencias adecuadas se denomina efecto fotoeléctrico y los electrones emitidos se denominan fotoelectrones. El efecto fotoeléctrico es un fenómeno de un fotón-un electrón. Un fotón no puede expulsar más de un fotoelectrón.
Características:
- Para un material fotosensible dado, existe una determinada frecuencia mínima de corte de la radiación incidente, denominada frecuencia umbral v0, por debajo de la cual no se produce emisión de fotoelectrones. La frecuencia umbral es diferente para diferentes metales.
- Para un material fotosensible y una frecuencia de radiación incidente (por encima del umbral de frecuencia), la corriente fotoeléctrica es directamente proporcional a la intensidad de la luz incidente.
- Por encima de la frecuencia umbral v 0, la energía cinética máxima de los fotoelectrones emitidos aumenta linealmente con la frecuencia de la radiación incidente, pero es independiente de la intensidad de la radiación incidente.
- La emisión de fotoelectrones es un proceso instantáneo. No hay retraso de tiempo entre la irradiación de la superficie metálica y la emisión de fotoelectrones.
Pregunta 3: ¿Defina la longitud de onda umbral?
Responder:
La longitud de onda (λ 0 ) correspondiente a la frecuencia umbral v 0 se denomina longitud de onda umbral.
Si c es la velocidad de la luz, entonces
v 0 = ϕ / h
Para la emisión fotoeléctrica, la longitud de onda de la luz incidente debe ser inferior a λ 0 .
Pregunta 4: ¿Cuál es la masa de un fotón?
Responder:
La masa en reposo del fotón es cero, lo que indica que si el fotón se está moviendo, tendrá cierto impulso, que es equivalente a la masa, pero en reposo, la masa del fotón será cero.
Pregunta 5: ¿Defina potencial de parada?
Responder:
La magnitud del potencial de retardo para el cual la corriente fotoeléctrica es cero se denomina potencial de frenado (Vs)
El valor del potencial de parada es una medida de la energía cinética máxima de los fotoelectrones.
Trabajo realizado sobre el electrón por,
Vs = Max KE para los fotoelectrones.
eVs = 1/2 mv 2 máx .
Pregunta 6: ¿Cuál es el efecto de las energías cinéticas sobre el potencial de frenado en la emisión fotoeléctrica?
Responder:
El valor del potencial de frenado es una medida de la energía cinética máxima que puede poseer un fotoelectrón.
Los diferentes fotoelectrones tienen diferentes energías cinéticas. En el potencial de parada, el trabajo realizado por el electrón contra el potencial de parada V es igual a la KE de este electrón que tiene la KE máxima
eV = 1/2 mv 2 máx .
donde Vmax es la velocidad máxima .
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Artículo escrito por lunaticgemini2510 y traducido por Barcelona Geeks. The original can be accessed here. Licence: CCBY-SA