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P4-Efecto Fotoeléctrico
Introducción
Los experimentos que confirmaron por primera vez la existencia de las ondas electromagnéticas y la teoría electromagnética de Maxwell acerca de la propagación de
la luz fueron realizados por Heinrich Hertz en 1886 y 1887. En el transcurso de su
experimentos, Hertz observó que una descarga eléctrica entre dos electrodos ocurría
más fácilmente cuando sobre el cátodo incidía luz ultravioleta (UV). Lenard, continuando
algunos experimentos de Hallwachs, demostró inmediatamente que la descarga era
debida a la emisión de electrones que tenía lugar desde la superficie del cátodo,
causada por la incidencia de la luz ultravioleta.
Esta emisión de electrones desde una superficie por la acción de la luz se denomina efecto fotoeléctrico.
La luz incide sobre la superficie de un metal fotosensible y libera electrones,
que son atraídos hacia la placa positiva, originando una corriente eléctrica débil. Si
invertimos la polaridad podemos detener el paso de electrones variando el potencial.
El efecto fotoeléctrico presenta una serie de características peculiares:
- No se observa intervalo de tiempo medible entre la incidencia de la luz y la
emisión de electrones.
- La emisión depende de la frecuencia de la radiación incidente, existiendo una
frecuencia umbral (que depende del metal) por debajo de la cual no se produce
el efecto, independientemente de la intensidad de la radiación.
- La corriente, si existe, es proporcional a la intensidad de la luz.
- La energía de los electrones es independiente de la intensidad de la luz pero
varía linealmente con la frecuencia.
Estas características, en su conjunto, no tienen explicación posible en el marco
de la teoría ondulatoria de la luz.
En el año 1905, Einstein propuso una explicación al efecto basándose en la teoría
cuántica de la radiación de Planck, según la cual ésta estaba constituida por cuantos,
de energía hv, a los que posteriormente se denominó fotones.
La absorción de un cuanto por parte de un electrón aumenta su energía en
una cantidad  . Parte de esa energía -cuya cuantía depende del metal
considerado- es utilizada para separar el electrón del metal y es la denominada
función trabajo W. La energía restante, si la hay, quedará como energía cinética del
electrón, de manera que la relación entre ésta y la energía queda establecida por la ecuación:
que da explicación a las propiedades 1,2 y 4. En particular, existe una frecuencia umbral:
por debajo de la cual no se produce el efecto fotoeléctrico.
La dependencia con la intensidad de la luz queda también explicada puesto que a mayor intensidad corresponden más
fotones y, por tanto, un número mayor de electrones.
El objetivo de esta práctica será la medida del efecto fotoeléctrico al hacer
incidir luz ultravioleta sobre una placa de zinc. Para la determinación de las pequeñas
intensidades generadas utilizaremos el método de 'descarga periódica' de un electroscopio de Wulf conectado al circuito.
Aunque el Electroscopio de Wulf es un instrumento de medida estático, destinado a la medida de cargas o tensiones electrostáticas, su peculiar construcción permite su utilización para la medida de corrientes eléctricas. Se compone de una cinta de aluminio delgada, fijada por su extremo superior sobre un soporte conductor y sujeta al mismo, por su extremo inferior, mediante una argolla elástica de cuarzo. El sistema se encuentra suspendido en el interior de una caja cerrada de modo que queda abrigado frente a los movimientos del aire. La sensibilidad del instrumento puede regularse mediante un electrodo (electrodo de influencia) que se puede desplazar desde fuera de la caja y que está colocado en su parte lateral.
 Funcionamiento: Cuando la cinta cargada es atraída por el electrodo de influencia, su desviación es aproximadamente proporcional al cuadrado de la carga (o de la tensión). Cuando la desviación sobrepasa la mitad de la distancia entre el electrodo de influencia y el soporte de la cinta de aluminio, ésta hace contacto con el electrodo de influencia, le cede su carga y vuelve a la posición de reposo. Este mecanismo de carga y descarga se repetirá periódicamente mientras la tensión aplicada al electroscopio sea lo suficientemente grande como para hacer que la lámina de aluminio toque el electrodo. En este caso el circuito debe incluir una resistencia R, elevada, que limite la corriente en los momentos de contacto entre la cinta y el electrodo, y evite así su rotura.
Fijada la distancia entre el electrodo y el soporte, la intensidad media de la
corriente que circula por el electroscopio es inversamente proporcional al tiempo (o
periodo T) (Anexo 2) entre las descargas de la hoja.
Descripción del procedimiento experimental de medida del efecto fotoeléctrico con electroscopio de Wulf
Un campo eléctrico aproximadamente uniforme se crea entre la placa de zinc y un electrodo espiral. Éste debe situarse a una distancia de unos pocos centímetros de la placa de zinc y paralelo a ella. Dicho electrodo espiral se inserta en el terminal del electrodo de soporte de la cinta del electroscopio. La placa de zinc, sujeta a la varilla por medio de un aislante, se conecta al polo (-) de la fuente de alta tensión. El electrodo de influencia del electroscopio de Wulf se conecta al otro polo (+) de la fuente de alta tensión (en el laboratorio, se intercala una resistencia elevada - R=100MΩ - para limitar la corriente en los momentos de contacto entre la cinta y el electroscopio, y evitar así su rotura). En este instante el electroscopio de Wulf está conectado para medidas de corrientes.
Cuando la luz ultravioleta de la lámpara de vapor de mercurio incide sobre la placa de zinc, se produce emisión de electrones desde la superficie de la misma. Éstos ionizan adicionalmente las moléculas del aire, a lo largo de su recorrido, desde la placa de zinc hacia el electrodo espiral, bajo la influencia del campo eléctrico. Esta migración de iones representa una corriente eléctrica. La existencia de dicha corriente adicional viene indicada mediante una descarga periódica de la cinta de aluminio del electrodo de soporte del electroscopio de Wulf.
Debido a la inercia de la hoja de aluminio del electrodo del electroscopio de Wulf, es necesario el uso de la fuente de alta tensión. Por este motivo, en el laboratorio, hay que tener cuidado y no acercar en exceso la placa a la espiral ya que podría saltar una chispa eléctrica debida a la ionización del aire entre ellas (ruptura del dieléctrico). En la simulación que presentamos hemos eliminado esta posibilidad, limitando la distancia mínima entre placa y espira a 2cm y el voltaje máximo de trabajo a 6KV.
Un problema adicional a tener en cuenta en la realización de esta práctica es el efecto que la oxidación de la placa de cinc tiene sobre las medidas. La capa superficial de óxido, que se forma con relativa facilidad sobre la superficie de la placa de cinc, limita la superficie metálica útil de la que poder extraer electrones y, por tanto, modifica la corriente de fotoelectrones incluso entre medidas de una misma serie. Es importante lijar la placa de zinc antes de cada serie de medidas (con la fuente de alta tensión apagada!!!!) porque así eliminamos la capa superficial de óxido que se haya podido formar desde la última vez que se lijó.
Por ello, observamos que para una misma distancia, el periodo medido aumenta con el tiempo transcurrido desde el lijado de la placa y, por tanto, su frecuencia disminuye. Conforme va pasando el tiempo desde que se lijó, se va creando una capa de óxido mayor en la placa, llega menos intensidad de corriente (carga por unidad de tiempo) al electrodo en espiral y se necesita un poco más de tiempo para acumular la carga total que hace que la cinta se descargue en el electrodo de influencia.
Experimentalmente hemos comprobado que la variación de la intensidad del efecto fotoeléctrico (para una distancia fijada) es lineal con el tiempo (en tramos de 60 minutos), transcurridos 30 minutos desde que se realizó el lijado de la placa de cinc. (Anexo 3). Es en este régimen de linealidad en el que trabajaremos.
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