Problemas 44 y 45

Problema 45

Problema 44

Problemas 1, 2 y 3

Problemas 40 y 43 (efecto fotoeléctrico)

Problemas 40 y 43

Efecto fotoeléctrico

Efecto fotoeléctrico. 

Se conoce como efecto fotoeléctrico a la emisión de electrones (fotoelectrones) por las superficies metálicas cuando se iluminan con luz de frecuencia adecuada. Existen tres hechos experimentales en este fenómeno que no pueden explicarse mediante la teoría electromagnética clásica:

• La emisión tiene lugar sólo si la frecuencia f de la radiación supera una frecuencia mínima, propia de cada metal, llamada frecuencia umbral. Según la teoría clásica el efecto fotoeléctrico debía ocurrir para cualquier frecuencia de la luz siempre que esta fuera suficientemente intensa.
• Si la frecuencia f es mayor que la frecuencia umbral el número de electrones emitidos es proporcional a la intensidad de la radiación incidente. Sin embargo su energía cinética máxima es independiente de la intensidad de la luz, lo cual no tiene explicación en la teoría clásica.
• El efecto fotoeléctrico es instantáneo, nunca se ha podido medir un retraso entre la iluminación del metal y la emisión electromagnética. Sin embargo, según la teoría clásica, si la intensidad de la luz es muy débil, debe existir un tiempo de retraso entre el instante en que la luz incide sobre la superficie metálica y la emisión de fotoelectrones.

Teoría cuántica de Einstein

Einstein explicó el efecto fotoeléctrico aplicando a la luz las ideas de Planck sobre la radiación térmica: la luz se propaga por el espacio transportando la energía en cuantos de luz, llamados fotones, cuya energía viene dada por la ecuación:

E=h∙f

Donde f es la frecuencia de la luz y h la constante de Planck. En la explicación dada por Einstein toda la energía del fotón se transmite a un electrón del metal. Cuando un fotón suficientemente energético choca con un electrón del metal, la energía del fotón se emplea en arrancar al electrón del metal y darle cierta energía cinética.

E=We+Ec

h∙f=h∙f0+mv2/2

We es la energía mínima que el electrón necesita para escapar de la superficie del metal. Se denomina trabajo de extracción y su valor es característico de cada metal.

• Si la energía del fotón E=h∙f<We=h∙f0 (f<f0) el electrón no escapa, no se produce efecto fotoeléctrico.

Haz de fotones con frecuencia menor que la frecuencia umbral

• Si la energía del fotón E=h∙f=We=h∙f0 (f=f0) estamos en la frecuencia umbral, frecuencia mínima para arrancar al electrón del metal.
• Si la energía del fotón E=h∙f>We=h∙f0 (f>f0) el electrón escapa del metal con una determinada velocidad, con una energía cinética determinada Ec.

Haz de fotones con frecuencia mayor que la frecuencia umbral

CUERPO NEGRO (ecuaciones y problemas Oxford 35, 38 y 39)

Movimiento en un campo eléctrico

Movimiento en un campo eléctrico

Cuando una partícula cargada está en una región donde hay un campo eléctrico experimenta una fuerza igual al producto de su carga por la intensidad del campo eléctrico.

• Si la carga es positiva experimenta una fuerza en el sentido del campo
• Si la carga es negativa experimenta una fuerza en sentido contrario al campo

Si el campo es uniforme la fuerza es constante y también lo es la aceleración, aplicando las ecuaciones del movimiento rectilíneo uniformemente acelerado podemos obtener la velocidad de la partícula en cualquier instante o después de haberse desplazado una determinada distancia

De forma alternativa, podemos aplicar el principio de conservación de la energía, ya que el campo eléctrico es conservativo
La energía potencial q(V'-V) se transforma en energía cinética. Siendo V'-V la diferencia de potencial existente entre dos puntos distantes x. En un campo eléctrico uniforme V'-V=Ex.

Espectros atómicos

Espectros atómicos. Modelo atómico de Bohr.

Se comprueba experimentalmente que los átomos son capaces de emitir radiación electromagnética o absorberla al ser estimulados mediante calentamiento o radiación, respectivamente, pero sólo en algunas frecuencias. Estas frecuencias de emisión o absorción determinan una serie de líneas que recogidas en un diagrama reciben el nombre de espectros de de emisión o absorción del átomo correspondiente. Se trata de espectros discontinuos que son característicos para cada elemento, sirven para identificarlo.

El espectro que primero se interpretó fue el del átomo de hidrógeno. Está formado por cinco series de líneas espectrales que llevan el nombre de sus descubridores.

Modelo atómico de Bohr

Bohr se basó en el átomo de hidrógeno para realizar el modelo que lleva su nombre. Bohr intentaba realizar un modelo atómico capaz de explicar  los espectros de emisión y absorción discretos que se observan en los gases.

Postulados:

• En un átomo el electrón sólo puede tener ciertos estados de movimiento definidos y estacionarios; en cada uno de ellos tiene una energía fija y determinada.
• En cualquiera de esos estados el electrón se mueve describiendo órbitas circulares alrededor del núcleo. Sólo son posibles aquellas órbitas en que se cumple que el momento angular del electrón L en ellas es un múltiplo entero de h/2π

L=mrv=n h/2π     n=1,2,3…

• Un electrón puede saltar de una órbita a otra absorbiendo (si va hacia una órbita más exterior) o emitiendo (en caso contrario) un cuanto de radiación electromagnética de energía igual a la diferencia existente entre los estados de partida y llegada de forma que:

Efotón=Ellegada-Epartida=hn

Bohr interpretó los radios de las órbitas, la energía del electrón en cada órbita e interpretó las líneas del espectro del hidrógeno. Tanto el radio como la energía de las órbitas están cuantizados. Las series espectrales aparecen cuando el electrón salta de una órbita a otra de distinto nivel de energía. A partir del modelo atómico de Bohr se deduce la fórmula que permite calcular las longitudes de onda de las líneas espectrales del hidrógeno. El modelo de Bohr sólo resultó válido para el átomo de hidrógeno y átomos hidrogenoides. No podía explicar espectros más complejos.