UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE HONDURAS FACULTAD DE CIENCIAS ESCUELA DE FISICA
Curso Propedéutico para Maestría en Física Física Moderna Laboratorio Virtual Efecto fotoeléctrico con Simulador PhET
Elaborado por: -
Allan Andrade Rocío Folofo Roberto Mejía Ingrid Díaz Jorge Flores
Informe de Trabajo y Desarrollo de Guía Objetivo de la actividad
Explorar la simulación del efecto fotoeléctrico, para obtener una mejor comprensión de dicho fenómeno. La ventana es parecida a la siguiente:
Identificar las características principales del efecto fotoeléctrico analizando como se relacionan la frecuencia de la luz, su longitud de onda, función de trabajo y energía cinética de los electrones emitidos. Determinar que provoca una diferencia de potencial entre las placas y como esta contribuye a la energía cinética de los electrones emitidos logrando que fluya una corriente eléctrica
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Desarrollo de la Actividad 1. ¿Puede pensar en alguna aplicación de este efecto en su vida diaria, o puede imaginar algunos usos para éste? Una de las aplicaciones que veo en la vida diaria en la transmisión de ondas IR a través de cualquier control remoto hacia un LED receptor en cualquier dispositivo eléctrico o electrónico, ya sea: Televisor, Aire Acondicionado, Equipo de Sonido, etc. Se emiten ondas IR (infrarrojas) utilizando una diferencia de potencial en un LED-emisor, las ondas que emite llegan a un LED receptor utilizando el efecto fotoeléctrico se liberan electrones de una placa de en LED y fluyen electrones de cátodo a ánodo, generando una señal de corriente en el circuito. a. En dispositivos de control en los cuales al interrumpir el haz incidente en el material del blanco emisor de electrones se pueda controlar la corriente del electrodo receptor b. En mecanismos de portadores de información mediante la variación de la longitud de onda de la luz incidente se pueden producir una señal eléctrica que mediante la variación de la corriente se puede transmitir información. Además podemos mencionar su aplicación en: a. b. c. d.
Cámaras digitales Detectores de humo Detectores de movimiento En aparatos de donde se utiliza la transmisión mediante infrarrojos (laptops, celulares, controles remotos, etc.)
2. ¿Cuáles variables puede cambiar usted en esta simulación? Potencial eléctrico entre las placas (potencial de frenado), Longitud de onda de la radiación electromagnética incidente sobre una placa (cátodo), Intensidad de radiación o cantidad de fotones que incidirán sobre los electrones y la función de trabajo o el material a utilizar en las placas 3. Utilizando su conocimiento de la energía de la luz, los electrones, la longitud de onda y la frecuencia, haga una predicción de la gráfica de la energía del electrón como función de la frecuencia. Considerando la ecuación de energía para un electrón que absorbe la energía de un fotón
Donde
representa la función de trabajo del material en la placa en eV
2
Na
Ca Zn Cu Pt
Sodio Na
Zinc Zn
Cobre Cu
Platino Pt
Calcio Ca
(W=2.36eV)
(W=4.30eV)
(W=4.70eV)
(W=5.93eV)
(W=2.87eV)
0.75
0.7375
0.75
-1.2025
0.75
-1.6025
0.75
-2.8325
0.75
0.2275
1.50
3.8350
1.50
1.8950
1.50
1.4950
1.50
0.2650
1.50
3.3250
2.25
6.9325
2.25
4.9925
2.25
4.5925
2.25
3.3625
2.25
6.4225
4. Ajuste la longitud de onda a 500 nm, y luego calcule la frecuencia de acuerdo a la relación entre la longitud de onda, la velocidad de la onda, y la frecuencia. De acuerdo a la ecuación de velocidad de onda para ondas electromagnéticas: (m/s)
3
5. Utilice la simulación para realizar un experimento controlado y así verificar su predicción. Comience con las placas de sodio, mantenga todos los parámetros constantes excepto el color (frecuencia) de la luz. (No olvide habilitar la gráfica de la “Energía de electrón frente a frecuencia lumínica”.)1 Sodio Na
Cobre Cu
Zinc Zn
Platino Pt
1
Los pasos 1 al 5 fueron elaborados por Donald Collins, un miembro del PhET TEAM.
4
Calcio Ca
Los resultados se ajustan a las predicciones hechas con los cálculos numéricos
6. Enumere otros conceptos físicos que han sido confirmados o aprendidos después de haber explorado esta simulación. -
La energía de los electrones que están más alejados del núcleo atómico de los diferentes elementos químicos los cuales son liberados de la placa depende de la función de trabajo o de las propiedades de los átomos del elemento, además de la energía de los fotones incidentes la cual depende directamente de la frecuencia o longitud de onda de la radiación electromagnética incidente sobre la placa del material utilizado.
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La pendiente de todas las graficas en el efecto fotoeléctrico es una constante, la constante de Planck
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La intensidad, potencia por unidad de área o cantidad de fotones emitidos por la fuente de radiación electromagnética, hace que aumente la corriente eléctrica o el número de electrones que fluyen de una placa a otra
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Como varia la frecuencia de corte fo según la función de trabajo Ф del metal
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No importa como varíe la intensidad lumínica, la energía cinética máxima Kmax no cambia.
-
En ciertos niveles de longitud de onda λ, NO hay fotoemisión.
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Si tiene problemas contestando las siguientes preguntas, lea la presentación de nuevo, investigue la simulación otra vez, utilice su libro de texto, use el internet…
7. Asegúrese de que la lámpara esté encendida y que el voltaje de la batería esté ajustado a cero voltios. Ajuste el color de la luz de la lámpara hasta que los electrones sean apenas emitidos por la superficie de sodio. Observe la velocidad de los electrones. Al acortar la longitud de onda de la luz, ¿qué cambio nota usted en la velocidad de los electrones? Explique la causa de este cambio. Al aumentar la longitud de onda de la radiación electromagnética incidente sobre la placa de sodio (energía de excitación), la velocidad de los electrones emitidos disminuye por lo que su energía cinética disminuye, analizando un poco la ecuación para el efecto fotoeléctrico se puede apreciar este fenómeno (Energía cinética máxima)
Si la longitud de onda aumenta entonces la energía de los fotones o energía de excitación disminuye lo que hace que la energía cinética disminuya. Si la longitud de onda es reducida la energía de excitación aumenta lo que corresponde a una ganancia de energía cinética para los electrones emitidos.
Otra forma de encontrar la misma explicación es explorando la ecuación de la energía cinética y determinando la velocidad Usando Na (Sodio) se tiene que Ф=2.28 eV Además despejando para la velocidad:
√ Si mantenemos constantes la función de trabajo Ф, se observa que la velocidad dependerá del valor de la longitud de onda de manera que: 1. 2.
Entre mayor sea la Longitud de onda, Menor será la Velocidad. Entre menor sea la longitud de onda, Mayor será la Velocidad.
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8. Dé la definición de corriente eléctrica. La corriente eléctrica corresponde al flujo de carga por unidad de tiempo, es decir que un flujo de electrones que se encuentren más alejados del núcleo de determinado elemento o material atravesará un área determinada en un tiempo
9. Investigue cuál de los 6 metales disponibles (sodio, zinc, cobre, etc.) tiene mayor sensibilidad óptica. Esto es, ¿cuál superficie emite electrones al utilizar la luz incidente con mayor longitud de onda y menor energía? Asegúrese que el voltaje de la batería esté en cero. Realice una tabla del tipo de metal de la superficie vs. la longitud de onda requerida para iniciar el flujo de corriente. Según simulador PhET Elemento Químico + Función de Trabajo (eV)
Longitud de Onda mínima para emisión de electrones (nm)
Sodio Na
538.00
(W=2.36eV)
Zinc Zn (W=4.30eV)
Cobre Cu (W=4.70eV)
Platino Pt (W=5.93eV)
Calcio Ca (W=2.87eV)
??? (
Material Sodio Zinc Cobre Platino Calcio ¿? (Magnesio)
eV)
287.00 262.00 196.00 422.00 334.00
Longitud de onda (nm) 540 290 266 197 428 339
Energía. (eV) 2.296 4.275 4.661 6.294 2.897 3.657
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Realizando la prueba en el simulador, se observa que el Sodio Na presenta la mayor sensibilidad óptica a la radiación electromagnética incidente en los electrones de este elemento químico.
a) ¿Cuál superficie es la más sensible? A una longitud de onda de 538nm el sodio es el único elemento que libera electrones por lo que lo hace el más sensible de la lista de selección
b) ¿Cuál podría ser el metal que compone la superficie desconocida (???)? Según la tabla de funciones de trabajo para diferentes metales obtenida en: http://www.vaxasoftware.com/doc_edu/qui/w_efe.pdf este valor correspondería al Arsénico As
10. Vaya al menú de Opciones en la barra de menús de la ventana. Podemos habilitar o deshabilitar la opción de Mostrar fotones. ¿Cuál es el propósito de esta opción? Visualizar la cantidad de fotones que son emitidos por la fuente luminosa al ajustar la intensidad. Entre mayor es la potencia de emisión o intensidad de la fuente luminosa mayor es la cantidad de fotones emitidos por la misma, los cuales serán absorbidos por los electrones de elemento químico utilizado en la placa (cátodo) 11. Revisemos la precisión de esta simulación. La batería puede brindar tanto un voltaje de aceleración (+) como un voltaje de desaceleración (-). Haga incidir luz brillante a 400 nm en la superficie de sodio. ¿Cuál es el potencial de frenado (el menor voltaje que hará que el flujo de corriente se detenga)? El potencial que hace que los electrones no lleguen a la placa opuesta es aprox -0.72V a) Utilizando todos los datos anteriores y la fórmula E=hf, encuentre la constante de Planck (h). (Potencial de frenado)
⁄
8
b) ¿Cuál es el porcentaje de error en el cálculo de h?
12. Con luz brillando sobre la placa metálica, y electrones siendo emitidos, ¿qué conexión, si la hay, existe entre el voltaje de la batería y la corriente? El voltaje de la batería es directamente proporcional en magnitud a la corriente emitida en las placas, si el voltaje es mayor la corriente aumenta, liberando mas electrones de la placa del material
a) Habilite la gráfica de “Corriente frente a voltaje de la batería” y vea si usted estaba en lo correcto. Al tener una intensidad de luz suficiente para arrancar los electrones de la lamina metálica, estos electrones son atraídos hacia la placa con potencial menor (placa negativa) pero al ir variando la diferencia de potencial de 0V hasta 8V la corriente se mantiene constante, esto es, la cantidad de electrones que llegan y atraviesan el conductor no varia, por lo que la corriente se mantiene constante y si se invierte la polaridad de la batería (potencial negativo), los electrones no son atraídos a la otra lámina y por lo tanto no se pueden arrancar y la corriente medida es cero.
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b) Probablemente notó que la gráfica tiene una “rodilla” donde la pendiente tiende a cero. ¿Cuál es la explicación para esto? Cuando el voltaje de la batería es cero el potencial de frenado es cero y esto hace que la función de trabajo del material sea igual a la energía que emite un fotón a un electrón, el cual lo liberaría de la superficie resultando en una corriente eléctrica
13. ¿Cuál debería ser la conexión, si ésta existe, entre la corriente eléctrica y la intensidad de la luz? A mayor intensidad en la radiación electromagnética más fotones se entregan al material lo que aumenta el número de electrones emitidos generando mas corriente a través del material a) Habilite la gráfica de “Corriente frente a intensidad lumínica”. ¿Se comporta como usted esperaba?
b) Esta gráfica no tiene “rodilla”. ¿Por qué? Porque a mayor número de fotones emitidos mas electrones son desprendidos de la placa de material, si no hay fotones entonces no hay emisión de electrones, por lo que se convierte en una gráfica lineal sin “rodilla”.
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Como la relación es lineal, podemos decir que la corriente es directamente proporcional a la intensidad de luz emitida. Con los parámetros que se muestran en la figura de abajo, la relación es: I: Corriente Int: Intensidad Luego, I = 0.049*Int + 0.27 A De lo anterior, podemos decir que la intensidad es una medida proporcional de la corriente que se obtiene.
14. ¿Qué otros conceptos físicos, si los hubo, aprendió mientras utilizó esta simulación?
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Una vez mas pude comprobar que una mayor intensidad o potencia de radiación esta relacionada cuánticamente con la cantidad de electrones emitidos
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Una diferencia de potencial negativa hace que los electrones adquieran mas fuerza atractiva hacia el núcleo del átomo lo que provoca que deba aumentarse la energía de los fotones emitidos para poder excitar estos electrones y ser liberados
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Se ha confirmado la relación entre voltaje y la corriente
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Se ha confirmado la relación entre la intensidad lumínica y la corriente
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Como la presencia de una diferencia de potencial afecta al flujo de electrones que son a la vez afectados por los fotones.
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