efecto foto electrico
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Física Moderna Laboratorio I Efecto fotoeléctrico Objetivos del experimento: a) Verificar el efecto fotoeléctrico. b) Medir la energía cinéctica de los electrones como función de la frecuencia de la luz. c) Determinar la constante de Planck. d) Mostrar que la energía cinética de los electrones es independiente de la intensidad de la luz. Principios Los electrones pueden ser liberados desde la superficie que los contiene en algunos matirales irradiándolos con luz de una longitud de onda lo sufi cientemente corta (Efecto fotoeléctrico EF. Su energía depende de la frecuencia del haz incidente pero no depende de la intensidad. La intensidad sólo determina el número de electrones liberados. Este hecho contradice los principios de la fí sica clásica, y fue predicha por Albert Einstein en 1905 quien postuló que la luz consiste de un flujo de partículas, llamada fotones, cuya energía E es proporcional a la frecuencia (E=h ν). El factor de proporcionalidad se lo conoce como constante de Planck y es una constante de la anturaleza. En esta concepción particular de la luz, cada fotoelectrón es emitido por un fotón y lo eyecta del átomo c on una ene rgía cinética de E K = h ν - W K (1) Donde W K es la función trabajode los electrones, la q ue depende del material irradiado. Podemos determinar la contacte de Planck h exponiendo una fotocelda a luz monocromática, esto es, luz con una dad longitud de onda y midiendo la energía cinéctica de los electrones emitidos. La Fig. 1 muestra una representación esquemática de tal experimento. La luz incide sobre un ánodo anular, aquí un alambre de platino sobre una superficie de potasio. Gracias a la baja función trabajo, los electrones de valencia de los metales alcalinos están débilmente ligados, el potasio es un material muy adecuado para emitir electrones. Algunos de los fotoelectrones emitidos viajan hacia el ánodo donde son registrados por una corriente fotoeléctrica. Si los fotoelectrones son emitidos en contra de un potencial negativo el cual es incrementado gradualmente, la corriente de fotoelectrones decrece continuamente. El voltaje al cual la corriente fotoeléctrica alcanza precisamente el cero
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Física Moderna
Laboratorio I
Efecto fotoeléctrico
Objetivos del experimento:
a) Verificar el efecto fotoeléctrico.
b) Medir la energía cinéctica de los electrones como función de la frecuencia de la luz.
c) Determinar la constante de Planck.
d) Mostrar que la energía cinética de los electrones es independiente de la intensidad
de la luz.
Principios
Los electrones pueden ser liberados desde la superficie que los contiene en algunos
matirales irradiándolos con luz de una longitud de onda lo suficientemente corta (Efecto
fotoeléctrico EF. Su energía depende de la frecuencia del haz incidente pero no depende
de la intensidad. La intensidad sólo determina el número de electrones liberados. Este
hecho contradice los principios de la física clásica, y fue predicha por Albert Einstein en
1905 quien postuló que la luz consiste de un flujo de partículas, llamada fotones, cuya
energía E es proporcional a la frecuencia (E=h ν).
El factor de proporcionalidad se lo conoce como constante de Planck y es una constante
de la anturaleza. En esta concepción particular de la luz, cada fotoelectrón es emitido
por un fotón y lo eyecta del átomo con una energía cinética de
EK = h ν - WK (1)
Donde WK es la función trabajode los electrones, la que depende del material irradiado.
Podemos determinar la contacte de Planck h exponiendo una fotocelda a luz
monocromática, esto es, luz con una dad longitud de onda y midiendo la energía
cinéctica de los electrones emitidos.
La Fig. 1 muestra una representación esquemática de tal experimento. La luz incide
sobre un ánodo anular, aquí un alambre de platino sobre una superficie de potasio.
Gracias a la baja función trabajo, los electrones de valencia de los metales alcalinos
están débilmente ligados, el potasio es un material muy adecuado para emitir electrones.
Algunos de los fotoelectrones emitidos viajan hacia el ánodo donde son registrados por
una corriente fotoeléctrica. Si los fotoelectrones son emitidos en contra de un potencial
negativo el cual es incrementado gradualmente, la corriente de fotoelectrones decrececontinuamente. El voltaje al cual la corriente fotoeléctrica alcanza precisamente el cero
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se lo denomina voltaje límite U0 . A este nivel aún los electrones más débilmente
ligados, esto es, aquellos con la más baja función trabajo y con la mayor energía
cinética, a no pueden sobrepasar el voltaje del ánodo. En este experimento, el voltaje del
ánodo se genera usando un capacitor el que se carga con electrones incidentes hasta un
voltaje límite. Podemos usar este voltaje límite U0 para clacular la energía cinética de
los electrones débilmente ligados.
eU0 = h ν – W (2)
Aquí W ya no es la función trabajo Wk cátodo ya que el potencial de contacto entre el
cátodo y el ánodo es´ta incluido en el balance energético.
Las mediciones son realizadas para varis longitudes de onda λ y frecuencias ν=c/λ,
donde c es la velocidad de la luz.
Cuando la fr ecuencia de la luz incidente se incrementa en un factor Δν, la energía del
electrón se incrementa en hΔν . El voltaje límite debe ser incrementado enΔU 0 para
compensar la subida den la corriente fotoelectrónica.
Cuando graficamos el voltaje límite U0 como función de ν la ecuación 2 nos da una
l´nea recta con una pendiente igual a h/e. Para un valor concoido de carga eléctrica,
obtenemos la constante de Planck.
En este experimento, los filtros de interferencia de banda corta se usan para seleccioinar
las longitudes de onda, cada filtro selecciona precisamente una línea espectral de la luz
de una lámpara de mercurio de alta presión. La especificación de la longitud de onda de
l filtro se refiere a la longitud de la líena del mercurio transmitida.
Arreglo del experimento
Arreglo óptico
Nota: la lámpara de alta presión de mercurio alcanza su intensidad completa luego de
diez minutos de calentamiento.
Encender la lámpara cuando comiences a prepara el experimento, de mdo tal que puedas
comenzar a medir tan pronto hayas finalizado el arreglo del equipo.
La Fig. 2 muestra el arreglo del experimento, la posición del terminal izquierdo del
lector óptico está dado en cm.
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- Conectar el obturador universal a la …via la caja de distribución.
- Montar la lámpara de mercurio en la posición indicada, usando una guía óptica
(H=90 mm), conectarla al obturador universal y encenderlo.
- Montar la fotocelda en la posición indicada usando una guía óptica (H=90 mm),
quitar la cubierta y alinear la fotocelda de modo tal que la superficie negra
cubierta estè frente a la lámpara de mercurio.
- Colocar el diafragma sobre el banco óptico en la posición indicada usando la
guía óptica (H=120 mm).
- Colocar la lente en la posición indicada usando una guía óptica (H=120 mm) y
ajustar la altura de tal modo que el centre de la lente quede a la misma altura que
el centro del diafragma.
La luz de la lámpara de mercurio debería producir un spot de luz concentrada sobre
la cubierta negra (el área sensible) de la fotocélula. El haz no debería incidir sobre el
anillo metáliconi tampoco sobre el área de negra cubierta sobre los que están
conectados los contactos. Los contornos tampoco deberían ser iluminados.
Para asegurar que està todo en foco, lleve adelante el siguiente procedimiento,
repitiéndolo tan a menudo como sea necesario para producir la imagen óptima
- Variar la altura del diafragma y la lente de modo tal que el spot de haz quede en
la zona negra de la fotocelda: asegúrese que el centro de la lente estè siempre en
el mismo nivel con el diafragma. Ademàs, puedes necesitar ajustar la altura y la
inclinación de la fotocelda (usando los tornillos debajo de la base).
- Usando el diaframa, adjustar el tamaño del haz de modo tal que ilumine el área
màs grande posible de la zona oscura de la fotocelda, sin iluminar las zonas
exteriores, el anillo de metal o los contactos de la cubierta negra.
- Focalizar el haz como sea necesario moviendo la lente a l largo del banco óptico.
- Situar la cubierta de la fotocelda.
- Situar el filtro con el diafragma directamente frente a la fotocelda usando una
guía óptica (H=120 mm) y conectar el diafragma del filtro con la cubierta de la
foto celda para prevenir que el haz se disperse a llegar a la foto celda.
Arreglo eléctrico
Los foto electrones incidentes sobre el anillo de metal de la fotocelda cargan el
capacitor, genrando el voltaje límite U0 requerido para determinar la energía cinética. El
amplificador se usa para medir el voltaje del capacitor.
El arreglo del amplificador se muestra en la Fig. 3.
- Conectar el ter minal (f) y conectar el capacitor de 100 μF y la llave.
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- Conectar el terminal (g), el adaptador BNC/4 mm y la línea BNC y conectarlos
al cable gris de la foto celda.
- Conectar ambos cables (b) de la foto celda a tierra en el amplificador.
- Conectar el multímetro a la salida del amplificador.
Además:
- Conectar el suministro de energía (12 V) al amplificador y enchufarlo via la caja
de distribución.
- Conectar el banco óptico a tierra del amplificador y conectar esta terminal a la
tierra externa de la caja de distribución.
El experimento
Si el potasio de la capa de luz sensible del cátodo se deposita en el anillo del ánodo,
puede causar un flujo de electrones que interferirá con el experimento.
Suciedad en la foto celda puede causar corrientes espúreas entre el ánodo y el cátodo
que pueden afectar la medición del voltaje límite U0. Limpiar la foto celda con alcohol.
El voltaje del capacitor puede estar influenciado por los efectos de inducción.
No es necesario oscurecer la habitación, no tiene efecto sobre el experimento.
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Encender el multímetro y establecer el rango a 1 V DC.
- Girar el filtro de interferencia para luz amarilla.
- Descargar el capacitor moviendo la llave hasta que el multímetro marque cero.
- Comenzar la medición activando la llave, esperar alrededor de 30 seg. a un
minoto, hasta que el capacitor se haya cargado hasta el voltaje límite U0
- Girar el filtro de interferencia para luz verde y repetir el experimento.
- Extender el rango de medición a 3 V y repetir el experimento con luz azul y
violeta.
- Variar la intensidad de la luz incidente en la foto celda usando el diafragma del
filtro y medir el voltaje límite U0 para cada realización.
Nota: si el diafragma está muy cerrado, esto puede afectar la iluminación uniforme
del haz sobre el cátodo. Además, las corrientes espúreas jugaràn un papel mas
importante.
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