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• Esteban Oswaldo Prieto Riaño

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Docente: Luis Alejandro Cañon Tafur Física Moderna

Taller Física Moderna 2do Corte Efecto Fotoeléctrico Cuando la luz brilla en la superficie del metal, la luz puede expulsar electrones del metal con energía cinética adicional. Para determinar cuánta energía cinética se está dando a los electrones de los fotones de luz, se configuró un conjunto de placas paralelas en el vacío. Una placa consistía en el metal que estaría expuesto a diferentes longitudes de onda o frecuencias de luz. Las placas también estaban conectadas a una fuente de diferencia de potencial o voltaje. Todo el aparato representaba un circuito completo. Si la luz pudiera expulsar electrones del metal, causaría que una corriente fluya en el circuito, como lo muestra un amperímetro. La batería o fuente de diferencia de potencial se puede ajustar para "detener" la corriente o hacer que la corriente caiga a cero. La diferencia de potencial aplicada para detener la corriente es equivalente a la energía cinética del electrón que fue expulsado por la luz que brilla sobre el metal. Cuando un electrón tiene una cierta cantidad de energía cinética dentro de un campo eléctrico, se puede aplicar una diferencia de potencial para "detener" el electrón. La cantidad de energía o trabajo necesario(W) para detener el electrón viene dada por la definición de diferencia de potencial (V) W=V qe Donde: V= W/qe Recordando 1eV =1.60 x 10-19 Julios y qe =1.60 x 10-19 Coulombs es la carga del electrón.

Entonces si tenemos un electrón con energía de 3.2eV tendría una energía de 5,12X10-19 Julios. Y la diferencia de potencial para detenerlo sería de 3.2 V. El aparato de efecto fotoeléctrico se reproduce en la simulación PhET titulada "Efecto fotoeléctrico 1.10". Abra la simulación PhET (1) Comenzaremos explorando cómo la intensidad de la luz afecta la el voltaje de retraso (o detención) en el experimento. Dar clic a opciones y seleccione “Mostrar fotones”. Complete la siguiente tabla con los parámetros adecuados.

Docente: Luis Alejandro Cañon Tafur Física Moderna

Metal Sodio sodio Sodio

Longitud de Intensidad onda/nm (%) 400 50 400 75 400 100

Corriente cuando el voltaje es 0

Voltaje de retraso(V)

Calcule la energía del fotón en Julios

Obteniendo los resultados conteste lo siguiente: 2) Explica por qué aumentó la corriente cuando cambió la intensidad de la luz? (Sugerencia: ¿Cómo se relaciona la cantidad de fotones en la luz con la intensidad de la luz y cómo se relaciona esto con la definición de corriente?) 3) ¿La intensidad de la luz tiene algún efecto sobre la energía cinética máxima de los electrones? ¿Qué le dice esto acerca de la energía asociada con cada fotón individual? Explique. ¿Es esto coherente con el modelo matemático de Max Planck de que la luz viene en paquetes discretos de energía llamados "cuantos"? Explique. 4) Una característica clave de la fotoemisión que apoya la idea de Max Planck de que la luz viene en paquetes discretos implica una observación importante con respecto a la frecuencia de la luz que causa la fotoemisión. La siguiente investigación analizará la influencia de cambiar la longitud de onda de la luz que brilla sobre el metal. La observación fue crucial para la explicación matemática de Einstein de la fotoemisión. Complete la siguiente tabla cambiando los parámetros necesarios. Marque la casilla titulada "Mostrar solo electrones de energía más alta" y establezca la intensidad al 100%. La longitud de onda y el voltaje de retaso se pueden cambiar a valores específicos haciendo clic en las casillas cerca del control deslizante. Tenga cuidado de determinar el voltaje de parada al 0.1 V. más cercano. Ajuste el voltaje de manera que los electrones expulsados se detengan justo antes de la placa negativa. Si los electrones golpean la placa negativa, el voltaje de parada debe aumentarse. Pruebe 0,1 incrementos al acercarse.

Metal Sodio sodio Sodio Sodio Sodio

Longitud de onda/nm 125 300 450 538 540

Calcule la frecuencia usando υ=C/λ

Voltaje de retraso(V)

Calcule la energía del fotón en Julios

Docente: Luis Alejandro Cañon Tafur Física Moderna 5) Describa qué sucede con el voltaje de parada para longitudes de onda mayores o iguales a 540 nm. Basándose en su conocimiento del átomo, formule una hipótesis para explicar tal comportamiento. 6) A 540 nm no se expulsan electrones. La frecuencia o longitud de onda a la que los electrones apenas se expulsan del metal se conoce como la frecuencia umbral. ¿cuál Sugiere que es la frecuencia de umbral para el metal de sodio? 7) Si la luz viaja como una onda, según la teoría clásica del campo electromagnético, los electrones deberían poder ser expulsados de un metal a cualquier frecuencia o intensidad, ya que la luz consistirá en un flujo continuo de energía. ¿Cómo la existencia de una frecuencia umbral apoya la teoría cuántica de la luz de Max Planck propuesta por E= hυ?

Efecto Compton: La interpretación ondulatoria predice, cuando una radiación electromagnética es dispersada por una partícula cargada la radiación dispersada en todas direcciones tendrá la misma frecuencia que la radiación incidente. En 1922 Arthur H Compton demostró que, si se acepta la interpretación cuántica de la radiación electromagnética, entonces la radiación dispersada tendría una frecuencia menos que la radicación incidente y además dependería del ángulo de dispersión. En su análisis Compton considera la dispersión de la radiación electromagnética por una partícula cargada como un choque perfectamente elástico, a la manera de bolas de billar, entre un fotón y la partícula libre cargada, como se muestra en la figura de abajo. Aunque los detalles de la interacción no son conocidos si se aplican los principios de conservación de energía. Se ha encontrado experimentalmente que el fotón sufre un cambio en la longitud de onda Δλ, dado por:

Observe que el cambio en la longitud de onda depende únicamente del ángulo de dispersión θ y es independiente del fotón incidente.

.

Docente: Luis Alejandro Cañon Tafur Física Moderna Compton verifico experimentalmente su relación teórica, por medio de dispersión de rayos X (λ=0.7 Armstrong) en grafito. La energía de los rayos X es muchas veces mayor que la energía de enlace de los electrones exteriores de carbón; De ahí el tratamiento de estos electrones como partículas libres. 8) Un fotón de 100KeV es dispersado por un electrón libre inicialmente en reposo. A un ángulo de 180 ° Calcular la longitud de onda del fotón dispersado a partir de la ecuación de Compton. RTA/ 0.1726 Armstrong. 9) Si el fotón incidente del problema anterior si es dispersado a un ángulo de 65° ¿Cuál es la longitud de onda final? Rta/ 0.138 Armstrong. 10) Calcular la variación porcentual en la longitud de onda de un fotón de λ =0.15 Armstrong, que sufre una dispersión de 120° con un electrón. RTA/ 24.3%