Trabajo práctico 2: Efecto fotoeléctrico

Física Moderna A

Trabajo práctico 2: Efecto fotoeléctrico

Entrega: 3 de Abril 2023

Juan Pablo Sustersic

Profesora: Dafne Yael Goijman

Resumen:

En este trabajo se realiza un desarrollo sobre el comportamiento de diversos metales cuando son iluminados con una luz en diversas frecuencias yendo desde el infrarrojo hasta el ultravioleta. Con el objetivo de analizar y describir el comportamiento de los electrones al ser incididos por ondas electromagnéticas con diversas energías.

Introducción:

El efecto fotoeléctrico es el proceso por el cual los electrones son liberados de un material cuando se exponen a la luz. En este trabajo, se analiza el comportamiento de metales iluminados con luz en un simulador del efecto fotoeléctrico. El objetivo es entender cómo la cantidad y la energía de los fotones incidentes afectan la liberación de electrones y cómo diferentes metales tienen diferentes funciones trabajo. Esto lo haré haciendo uso de una simulación Phet con la intención de, a partir del análisis de esta, comprender más a fondo este efecto.

Desarrollo:

Si se considera una fuente de radiación que emite fotones de una sola frecuencia(como lo es la que se plantea en la simulación, ver anexo imagen 1), la cantidad de electrones liberados será proporcional a la intensidad de la radiación en ese caso. La cantidad de energía que cada fotón lleva es proporcional a la frecuencia de la radiación, por lo que si se emiten más fotones de la misma frecuencia, la cantidad total de energía que se transfiere a los electrones aumenta proporcionalmente a la intensidad de la radiación.

Sin embargo, esta explicación solo se aplica en casos donde la frecuencia de la onda electromagnética es lo suficientemente alta para superar la función trabajo del material.La función de trabajo representa la cantidad mínima de energía necesaria para liberar un electrón de la superficie de un material en el efecto fotoeléctrico, y es un parámetro importante para determinar si un material es sensible a cierta frecuencia de radiación electromagnética. Si la frecuencia es demasiado baja, no se liberarán electrones independientemente de la intensidad de la radiación. aunque la teoría clásica no puede explicar completamente el efecto fotoeléctrico, puede explicar parcialmente la proporcionalidad observada entre la fotocorriente y la intensidad de la radiación en ciertos casos, como cuando la frecuencia es lo suficientemente alta para superar la función trabajo del material.

La liberación de un electrón de la superficie de un metal se produce cuando un fotón con energía suficiente incide sobre el metal y colisiona con un electrón. El fotón transfiere su energía al electrón, lo que le permite superar la función de trabajo del metal y escapar de la superficie. Pero si este electrón se encuentra con una carga negativa que se oponga a su movimiento este puede volver a la superficie del metal haciendo que quede en reposo en su superficie.

Cuando un fotón interactúa con un electrón en la superficie de un material, puede transferir toda o parte de su energía al electrón, permitiendo que escape de la superficie del material. Sin embargo, el electrón sólo puede escapar si la energía del fotón es igual o mayor que la función de trabajo del material. La energía del fotón es proporcional a su frecuencia, por lo que existe una frecuencia mínima o frecuencia umbral por debajo de la cual la energía de los fotones es insuficiente para liberar electrones. La teoría cuántica explica la existencia de la frecuencia umbral como resultado de la naturaleza cuántica de la interacción entre fotones y electrones. Si el electrón no estuviera ligado con el material el efecto fotoeléctrico se daría con ondas electromagnéticas que inciden con cualquier longitud de onda ya que no necesitan una frecuencia mínima para superar la atracción del metal.

La energía cinética máxima de los electrones emitidos por un material es independiente de la intensidad de la radiación incidente. Esto se debe a que la energía de un electrón emitido depende solo de la energía del fotón que lo liberó, y no de la intensidad de la radiación. Por lo tanto, incluso si se aumenta la intensidad de la radiación incidente, la energía cinética máxima de los electrones emitidos no aumentará. Este resultado es una consecuencia directa de la teoría cuántica, que describe la naturaleza discreta de la energía que puede ser transferida entre los fotones y los electrones.

La intensidad de la radiación incidente influye en la tasa de emisión de electrones, pero no en su energía cinética máxima. Una mayor intensidad de radiación implica una mayor cantidad de fotones incidentes por unidad de tiempo, lo que aumenta la tasa de emisión de electrones. Sin embargo, la energía de cada fotón individual sigue siendo la misma, y por lo tanto, la energía cinética máxima de los electrones emitidos no se ve afectada por la intensidad de la radiación. Esto se debe a que la energía cinética de un electrón emitido depende solo de la energía del fotón que lo liberó, y no de la cantidad de fotones incidentes.

Cuando la radiación electromagnética, como la luz, incide sobre un material, los fotones de la radiación interactúan con los electrones en la superficie del material. Si la energía de un fotón es igual o mayor que la función de trabajo del material, el electrón absorbido puede escapar de la superficie del material. Si la energía del fotón es menor que la función de trabajo del material, el electrón absorbido no tiene suficiente energía para escapar y no se produce efecto fotoeléctrico. La frecuencia umbral es la frecuencia mínima de la radiación electromagnética necesaria para producir el efecto fotoeléctrico en un material. Estos dos conceptos están estrechamente relacionados, incluso podría decirse que son lo mismo pero tienen el foco en distintos puntos, la frecuencia de umbral tiene el foco en la luz que incide sobre el material, y su energía, la cual interactúa con los electrones, y este umbral es la frecuencia a partir de la cual los electrones a los que incide son capaces de tener la energía suficiente para superar la función trabajo.

Desarrollo actividades con simulaciones

La función trabajo se relaciona con la frecuencia de onda, debido a que es la onda la cual lleva consigo la energía que posteriormente excitara al electrón para desligarlo del metal, y esta energía de la onda está relacionada con su frecuencia de tal manera que se cumple E=h x f        Siendo E energía del fotón y h la constante de planck. Para que este desligamiento del electrón suceda la frecuencia debe ser lo suficientemente alta para superar la función trabajo que representa la cantidad mínima de energía necesaria para liberar un electrón de la superficie de un material. Y dependiendo del número atómico del material este tendrá una función trabajo más alta o más baja, ya que a medida que aumenta el número atómico la atracción de los electrones con su núcleo es más alta, y esto lleva a que necesiten más energía para desligarse. Pero esto puede variar dependiendo del material más allá del número atómico, pero nos sirve para hacer una aproximación. Para tener una aproximación más certera es mejor fijarnos en la electronegatividad, que es un factor que nos indica las capacidades del átomo para retener electrones.