Objetivos de aprendizaje
- Describir el efecto fotoeléctrico.
¿Eres fan de la ciencia ficción?
En las viejas historias de ciencia ficción (década de 1950), uno de los temas de los viajes espaciales era el uso de velas solares para la propulsión. La idea era que la presión de fotones del sol empujara la vela (como las velas de viento) y moviera la nave espacial. Lo que una vez fue ciencia ficción es ahora una realidad, ya que se están desarrollando y probando velas solares para viajes espaciales modernos.
Efecto Fotoeléctrico y la Naturaleza de la Partícula de la Luz
En 1905, Albert Einstein (1879-1955) propuso que la luz se describe como cuantos de energía que se comportan como partículas. Un fotón es una partícula de radiación electromagnética que tiene masa cero y lleva un cuántico de energía. La energía de los fotones de luz se cuantifica de acuerdo con la ecuación E = hv. Durante muchos años, la luz se había descrito utilizando solo conceptos de onda, y los científicos entrenados en física clásica encontraron que esta dualidad onda-partícula de la luz era una idea difícil de aceptar. Un experimento clave que fue explicado por Einstein usando la naturaleza de partículas de la luz se llamó el efecto fotoeléctrico.
El efecto fotoeléctrico es un fenómeno que ocurre cuando la luz que brilla sobre una superficie metálica causa la expulsión de electrones de ese metal. Se observó que solo ciertas frecuencias de luz son capaces de causar la expulsión de electrones. Si la frecuencia de la luz incidente es demasiado baja (luz roja, por ejemplo), entonces no hay electrones eyectados incluso si la intensidad de la luz era muy alta o fue brillaba sobre la superficie durante un largo tiempo. Si la frecuencia de la luz era más alta (luz verde, por ejemplo), entonces los electrones podían ser expulsados de la superficie metálica, incluso si la intensidad de la luz era muy baja o si solo brillaba por un corto tiempo. Esta frecuencia mínima necesaria para causar eyección de electrones se conoce como frecuencia umbral.
La física clásica fue incapaz de explicar el efecto fotoeléctrico. Si la física clásica se aplicara a esta situación, el electrón en el metal podría finalmente recoger suficiente energía para ser expulsado de la superficie, incluso si la luz entrante fuera de baja frecuencia. Einstein usó la teoría de partículas de la luz para explicar el efecto fotoeléctrico como se muestra en la Figura a continuación.
la Figura 1. La luz de baja frecuencia (roja) no puede causar la expulsión de electrones de la superficie metálica. En o por encima de la frecuencia de umbral (verde) se expulsan electrones. La luz entrante de mayor frecuencia (azul) causa la expulsión del mismo número de electrones pero con mayor velocidad.
la Figura 2. Las células fotoeléctricas convierten la energía de la luz en energía eléctrica que alimenta esta calculadora.
Considere la ecuación E = hv. La E es la energía mínima que se requiere para que el electrón del metal sea expulsado. Si la frecuencia de la luz entrante, v, está por debajo de la frecuencia del umbral, nunca habrá suficiente energía para hacer que el electrón sea expulsado. Si la frecuencia es igual o superior a la frecuencia de umbral, los electrones serán expulsados.
A medida que la frecuencia aumenta más allá del umbral, los electrones expulsados simplemente se mueven más rápido. Un aumento en la intensidad de la luz entrante que está por encima de la frecuencia de umbral hace que el número de electrones que son expulsados aumente, pero no viajan más rápido. El efecto fotoeléctrico se aplica en dispositivos llamados células fotoeléctricas, que se encuentran comúnmente en artículos cotidianos, como una calculadora que utiliza la energía de la luz para generar electricidad.
Resumen
- de Luz tiene propiedades tanto de onda como una partícula.
- El efecto fotoeléctrico es producido por la luz que golpea un metal y los electrones que se desprenden forman la superficie del metal.
Práctica
Utilice el siguiente enlace para responder a las siguientes preguntas:
http://www.citycollegiate.com/physicsXII_photocell.htm
- ¿Cuál es el material emisor en esta fotocélula?
- ¿Qué causa la emisión de fotoelectrones?
- ¿Aumenta o disminuye la corriente con un aumento de la intensidad de la luz?
- ¿Qué sucede si la luz no golpea el cátodo?
Revisión
- ¿cuáles son las propiedades de un fotón?
- ¿Qué muestra el efecto fotoeléctrico sobre las propiedades de la luz?
- ¿Cómo afecta la frecuencia de la luz a la liberación de fotones?
Glosario
- célula fotoeléctrica: Utilice la energía de la luz para generar electricidad.
- efecto fotoeléctrico: Un fenómeno que ocurre cuando la luz que brilla sobre una superficie metálica causa la expulsión de electrones de ese metal.
- fotón: Una partícula de radiación electromagnética que tiene masa cero y lleva un cuántico de energía.
- frecuencia de umbral: Frecuencia mínima necesaria para causar eyección de electrones.