299003 2 trabajocolaborativo no.3

8/13/2019 299003 2 TrabajoColaborativo No.3

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UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA

Escuela de Ciencias Bsicas, Tecnologa e Ingeniera

FISICA MODERNA

Grupo: 299003_2

TRABAJO PRESENTADO A:Vctor Manuel Bohrquez tutor

[email protected]

Trabajo colaborativo 3

Trabajo Presentado Por:

GUSTAVO ZAMBRANOCOD. 7 717 348 [email protected]

CARLOS ALEXIS CAMPAA MONSALVECOD. 6 322 898 [email protected]

CESAR GABRIEL BARRENO MOLINACOD. 6300261 [email protected].

Noviembre 2012


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INTRODUCCIN

Se revisan las temticas correspondientes al Efecto Fotoelctrico, contenidas en laUnidad 3, del curso Fsica Moderna y se realiza una experiencia con el efecto

fotoelctrico.

La estrategia de aprendizaje para la actividad es, Aprendizaje Basado en

Problemas, mediante la Experimentacin en simulador, uso de tabla dinmica en

Excel y entrega de informe con los resultados.

En esta estrategia, primero se presenta el problema, se identifican las

necesidades de aprendizaje, se busca la informacin necesaria y finalmente se

regresa al problema.

Desde el planteamiento del problema hasta su solucin, se trabaja de manera

colaborativa, compartiendo posibilidades como, practicar, desarrollar habilidades,

observar y reflexionar, que en el mtodo convencional difcilmente podran llevarse

a cabo.

Por medio del trabajo encontramos respuestas a las actividades propuestas,

debemos investigar, entender y aplicar los conceptos sobre el contenido del

asunto, as como los temas relacionados.

Esta metodologa mejora la calidad de la educacin, cambiando la orientacin deun currculum basado en una coleccin de temas y exposiciones magistrales, a

uno ms integrado a los problemas de la vida real, donde se utilizan diferentes

reas del conocimiento, para dar solucin al problema.

El efecto fotoelctrico consiste en la emisin de electrones por un metal o fibra de

carbono cuando se hace incidir sobre l una radiacin electromagntica (luz visible

o ultravioleta, en general). A veces se incluyen en el trmino otros tipos de

interaccin entre la luz y la materia:

Fotoconductividad: es el aumento de la conductividad elctrica de la materia o endiodos provocada por la luz. Descubierta por Willoughby Smith en el selenio hacia

la mitad del siglo XIX.

Efecto fotovoltaico: transformacin parcial de la energa luminosa en energa

elctrica. La primera clula solar fue fabricada por Charles Fritts en 1884. Estaba

formada por selenio recubierto de una fina capa de oro.


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El efecto fotoelctrico fue descubierto y descrito por Heinrich Hertz en 1887, al

observar que el arco que salta entre dos electrodos conectados a alta tensin

alcanza distancias mayores cuando se ilumina con luz ultravioleta que cuando se

deja en la oscuridad.

La explicacin terica fue hecha por Albert Einstein, quien public en 1905 elrevolucionario artculo Heurstica de la generacin y conversin de la luz. Ms

tarde Robert Andrews Millikan, quien experimentando para demostrar que la teora

de Einstein no era correcta, finalmente concluy que s lo era. Einstein y Millikan

recibieron premios Nobel en 1921 y 1923, respectivamente.

El presente trabajo colaborativo nos permite aplicar los conocimientos adquiridos

durante el desarrollo de la unidad No.3, correspondientes a modelos atmicos,

espectros atmicos y aplicaciones de la mecnica cuntica.

Especficamente se trabajara y se experimentara sobre el efecto fotoelctrico,

donde intervienen factores tan importantes como, la intensidad lumnica, la

diferencia de potencial y la frecuencia, dependiendo de cada material.

Desde hace mucho tiempo los cientficos han estado interesados por la naturaleza

y el comportamiento de la luz. Es importante comprender la naturaleza de la luz

porque es uno de los ingredientes fundamentales de la vida en la tierra.


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OBJETIVO

Evaluar e implementar la teora vista durante el desarrollo del Mdulo.

Mediante la experiencia, validar el modelo terico expuesto.

Desarrollar habilidades inter-personales para lograr un desempeo ms alto

en equipo colaborativo.

Mejorar habilidades de comunicacin

Establecer y defender posiciones con evidencia y argumento slido

Volver el razonamiento ms flexible en el procesamiento de informacin y alenfrentarse a las obligaciones adquiridas en un trabajo en grupo

Practicar habilidades que necesitar para su formacin acadmica


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DOCUMENTACIN SOBRE EL EFECTO FOTOELECTRICO

ORIGENES Y DESCUBRIMIENTO DEL EFECTO FOTOELCTRICO

Cuando en el ao 1905, Einstein presenta su trabajo "Concerniente a un punto devista heurstico acerca de la Emisin y Transformacin de la Luz", basado en losexperimentos de Von Lenard, muy lejos estaba de suponer la influencia que elmismo llegara a tener sobre los desarrollos fsicos del Siglo XX. Su teorizacin dela luz como partcula, el Fotn, llegara ser parte medular de la fsica Cuntica, sindejar de admitirse al mismo tiempo su comportamiento como onda. En su trabajo,que hoy conocemos simplemente como "Efecto Fotoelctrico", Einstein no sepropona estudiar las causas del fenmeno, por el cual, los electrones de ciertosmetales, ante la incidencia de una radiacin luminosa, podan abandonar el metal,

animados de energa cintica.

Solamente intentaba justificar el comportamiento electrnico, que obedeca a laintensidad de la radiacin incidente, al determinar la cantidad de electrones queabandonaban el metal, y a la frecuencia de la misma, en cuanto a la energa queanimaba a dichas partculas. Era conocido, por los experimentos mencionados,que solo se obtena emisin a partir de cierta frecuencia de la radiacin incidente.Por debajo de ella, la energa absorbida se disipaba como calor en el metal.

Einstein determina la linealidad de la relacin Frecuencia/Energa y llega a laconclusin conocida que, para obtener esos resultados, deba admitirse que la

radiacin incidente se comportaba como paquete energtico, no como ondadistribuida uniformemente en el espacio y el tiempo.

Pero el efecto fotoelctrico fue accidentalmente descubierto por Hertz en 1887cuando se encontraba investigando las ondas electromagnticas predichas por laMaxwell.

Exp licac in d el efec to fo toelctr ico

Cuando luz monocromtica incide sobre un ctodo de material fotosensible, esteemite electrones con una energa cintica que depende de la longitud de onda dela luz incidente y del tipo de material del ctodo. Este proceso se denominaemisin fotoelctrica, y los electrones emitidos se denominan fotoelectrones.Determinando la energa de los fotoelectrones emitidos se puede evaluar laconstante de Planck y la funcin trabajo del material del ctodo.


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Como nos damos cuenta los aspectos ms influyentes son:

1. Dos electrodos de metal se sellan al vaco en un tubo de cuarzo. Uno delos electrodos se recubre con el metal zinc.

2. Se establece una diferencia en potencial a travs de los electrodos por

medio de una fuente de voltaje.3. Se incluye una resistencia variable en el circuito para poder variar ladiferencia en potencial.

Se utiliza un ampermetro para detectar y medir la cantidad de corriente en elcircuito.

E = hf (energa del fotn)

Wo: energa de extraccin (trabajo de extraccin)

Vf= Ec(mx)/e = (hf - Wo)/e (potencial de interrupcin)

fo= Wo/ h (frecuencia umbral)

hf = Wo+ Ec(mx)

Hay tres caractersticas del efecto fotoelctrico que no se podan explicar

mediante la teora ondulatoria de la luz:

1. La teora ondulatoria requiere que la energa cintica de los fotoelectrones

aumente conforme el rayo de luz se haga ms intenso. Como hemos dichoesto no ocurre ya que Ec(mx)(=eVf) es independiente de la intensidad de

la iluminacin.

2. De acuerdo con la teora ondulatoria, el efecto fotoelctrico debera ocurrir

para cualquier frecuencia de la luz, con la nica condicin de que la luz sea

suficientemente intensa. Pero existe una frecuencia (llamada umbral) por

debajo de la cual no ocurre el efecto en cuestin.


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3. Si la luz fuese suficientemente dbil deberamos esperar un retardo en el

tiempo de emisin (incluso para frecuencias altas de sta). El efecto

fotoelctrico ocurre instantneamente. No hay retardo, independientemente

de la intensidad lumnica.

Explicacin del funcionamiento del aplicativo

El efecto fotoelctrico

Tenemos una fuente de radiacin electromagntica. Podemos controlar la longitud

de onda de la radiacin y la intensidad.


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La luz est dirigida al ctodo en un tubo de vaco. El objetivo de esta experiencia

virtual, es verificar si la incidencia de luz en el ctodo, provoca una inyeccin de

electrones.

Con un rojo, vamos a verificar si existe o no corriente elctrica. Esa verificacin

puede hacerse a travs del ampermetro en el circuito, para verificar si existe o nocorriente elctrica.

Para el color rojo (698 nm), no existe inyeccin de electrones, sabemos que al

disminuir la longitud de onda, por tanto aumentamos la frecuencia. Si pasamos al

color naranja (621 nm), verificamos que no existe corriente elctrica, disminuimos

la longitud de onda, por tanto aumentamos la frecuencia.

Si alteramos la intensidad, nmero de fotones por unidad de tiempo. Si vamos a

opciones/mostrar fotones, verificamos que no existe corriente elctrica. La energa

permanece constante al variar la intensidad, manteniendo una frecuencia de 621

(nm) nanmetros.

Colocando la intensidad en nivel intermedio 52%, y disminuimos la longitud de

onda al color verde, a 521 (nm), nos indica que hay alguna corriente elctrica. Por

tanto la radiacin verde provoc la inyeccin de electrones, los cuales estn

representados por bolitas azules. Al aumentar la intensidad al 100%, aumento el

nmero de fotones incidentes, en consecuencia un nmero de electrones

eyectados, se puede ver en grfico, ms energa. No sufri cambios significativos.

Si aumentamos la frecuencia, disminuimos la longitud de onda (306 nm), los

electrones eyectados salen con mayor energa cintica, en la grfica se puede verlos electrones en funcin de la energa cintica. Cuanto mayor la incidencia de la

radiacin incidente, mayor energa cintica de los electrones eyectados.

Seleccionamos el Sodio, este es un metal, colocamos la intensidad en nivel

intermedio 52%, y disminuimos la longitud de onda al color verde, a 521 (nm), nos

indica que hay alguna corriente elctrica.

Vamos a cambiar de sustancia, el Zinc. Verificamos que para el Zinc, la radiacin

de color verde, no produce efecto fotoelctrico, no existe cualquier inyeccin de

electrones. Ocurre lo mismo para la intensidad mxima (100%).

Vamos a aumentar energa de fotones o sea disminuir la longitud de onda al color

violeta (403 nm), no existe efecto fotoelctrico. En la zona de ultra violeta (281

nm), es que comenzamos a notar alguna corriente elctrica. En la zona ultravioleta

es que existe efecto fotoelctrico.


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Tenemos que para cada metal, existe una frecuencia mnima, a partir del cual es

posible la inyeccin de electrones. Esa frecuencia mnima tiene que ver con la

energa necesaria para liberar cada uno de los electrones de un metal.

La intensidad de la radiacin, no afecta como vimos, la energa de cada uno de los

electrones eyectados, es apenas un nmero de electrones eyectados.

Funcin trabajo para el efecto fotoelctrico

Elemento Funcin trabajo W0

Longitud deonda umbral

o

Frecuenciaumbral f

o

eV J nm Hz

Ag 4,73 7,5810-19

262 1,141015

Al 4,08 6,5410

-19

304 9,871014

As 3,75 6,0110-

331 9,0710

Au 5,1 8,210-19

243 1,21015

Ba 2,7 4,310-

459 6,510

Be 4,98 7,9810-19

249 1,201015

Bi 4,34 6,9510-19

286 1,051015

C 5 810-

248 1,210

Ca 2,874,6010

-19

432

6,9410

14

Cd 4,08 6,5410-

304 9,8710

Ce 2,9 4,710-

428 7,010

Co 5 8,010-19

248 1,21015

Cr 4,5 7,210-

276 1,110

Cs 2,14 3,4310-19

579 5,171014

Cu 4,7 7,510-

264 1,110

Fe 4,81 7,7110-

258 1,1610

Ga 4,32 6,9210-19

287 1,041015

Hg 4,475 7,17010- 277,1 1,08210

K 2,29 3,6710-

541 5,5410

La 3,5 5,610-

354 8,510

Li 2,93 4,6910-

423 7,0810

Mg 3,66 5,8610-19

339 8,851014

Mn 4,1 6,610-

302 9,910


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Mo 4,95 7,9310-19

250 1,201015

Na 2,36 3,7810-

525 5,7110

Nb 4,3 6,910-19

288 1,01015

Ni 5,35 8,5710-

232 1,2910

Os 5,93 9,5010-

209 1,4310Pb 4,25 6,8110

-19

292 1,031015

Pd 5,6 9,010-

221 1,410

Pt 5,93 9,5010-19

209 1,431015

Rb 2,261 3,62310-

548,4 5,46710

Re 4,72 7,5610-

263 1,1410

Sb 4,7 7,510-19

263 1,11015

Sc 3,5 5,610-

354 8,510

Se 5,9 9,510-

210 1,410

Si 4,85 7,7710-19

256 1,171015

Sn 4,42 7,0810-

281 1,0710

Sr 2,59 4,1510-19

479 6,261014

Te 4,95 7.9310-

250 1,2010

Ti 4,33 6,9410-

286 1,0510

U 3,90 6,2510-19

318 9,431014

V 4,3 6,910-

288 1,010

W 5,22 8,3610-19

238 1,261015

Zn 4,3 6.910-

288 1,010Zr 4,05 6,4910

-

306 9,7910

ACTIVIDADES

ACTIVIDAD No. 1

Entraran al link ovas unidad 3 interactuar con el laboratorio virtual sobre el efecto

fotoelctrico. Para cada target, el estudiante deber encontrar la longitud de ondapara la cual el material seleccionado libera electrones una vez es bombardeado

por los fotones enviados por la lmpara. Asociar a esta longitud de onda, su

frecuencia correspondiente. Comprobar si la emisin de electrones depende de la

intensidad de la luz de la frecuencia de los fotones.


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Cada experiencia debe hacerse para el sodio, Zinc, Cobre, Platino, Calcio, y para

el material desconocido. Presentar un informe de laboratorio, con sus respectivos

anlisis. Documentarse adecuadamente sobre el efecto fotoelctrico, la

informacin encontrada les permitir entender la base terica del fenmeno a

estudiar, es importante que en el informe la documentacin terica no exceda ms

del 20% del informe.

Respuesta:

Para cada uno de los metales propuestos, se comprueba que la emisin deelectrones depende de la frecuencia lumnica, medida en nanmetros (nm).

Experimentalmente, colocamos el selector para frecuencia lumnica, en el extremo

derecho y deslizamos el selector hacia la izquierda por la escala de colores, hasta

que el ampermetro en el circuito, empieza a verificar la existencia de corriente

elctrica. Al disminuir la longitud de onda se aumenta la energa de los fotones.

Para cada metal, existe una frecuencia mnima, a partir del cual es posible la

inyeccin de electrones. Esa frecuencia mnima tiene que ver con la energa

necesaria para liberar cada uno de los electrones de un metal.

La escala deintensidadde la radiacin va de 0 a 100%, al deslizar el selector deizquierda a derecha, aumenta el nmero de fotones, pero no afectasobre la sealde corriente.

ACTIVIDAD No. 2

Despus de Analizar el laboratorio, debern responder si el desprendimiento de

los electrones depende de la frecuencia de la seal emitida por el foco de luz en la

placa, depende de la intensidad de la luz. Demostrar esta respuesta con las

mediciones.

Respuesta:

Segn el metal seleccionado y colocando la intensidad en nivel intermedio 52%,

disminuimos la longitud de onda, llegamos a un punto que nos indica, que hayalguna corriente elctrica. Por tanto esta radiacin provoca la inyeccin de

electrones, los cuales estn representados por bolitas.

Si aumentamos la frecuencia, disminuimos la longitud de onda, los electrones

eyectados salen con mayor energa cintica, en la grfica se puede ver los

electrones en funcin de la energa cintica. Cuanto mayor la incidencia de la

radiacin incidente, mayor energa cintica de los electrones eyectados.


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Al aumentar o disminuir la intensidad, no sufri cambios significativos.

Target:SODIO

Por encima de 525 nm, no hay corriente. En el umbral de 525, inicia la

corriente

Si aumento intensidad, no afecta Si aumento frecuencia,aumenta corriente.Significativamente la corriente.

ACTIVIDAD No. 3

Sobre el nmero de electrones emitidos, responder si depende de la frecuencia

emitida por la seal electromagntica sobre la placa, depende la intensidad de la

seal electromagntica? Demostrar esta respuesta con las mediciones.


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Respuesta:

Al aumentar la intensidad de la seal electromagntica, aumenta el nmero de

electrones emitidos y viceversa. La intensidad de la seal electromagntica tiene

que ver a partir del umbral de longitud de onda. Ejemplo con frecuencia constante.

Sodio: 15% de intensidad inicial Sodio: Se aumente a 50% de intensidad.Aumentan electrones

Sodio: Se aumenta a 95% de intensidad.Aumentan electrones

ACTIVIDAD No. 4

Responder si el voltaje mnimo para el cual no se reciben electrones entre las

placas del experimento es diferente para cada material? Demostrar esta respuesta

con las mediciones, para este punto es importante documentarse sobre la funcin

de trabajo en el efecto fotoelctrico.


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Respuesta:

El voltaje mnimo para el cual no se reciben electrones entre las placas del

experimento, es diferente para cada material. Los datos siguientes se obtuvieron

de manera experimental con el simulador.

SODIO:para este es un metal, colocamos la intensidad en nivel intermedio 52%, ydisminuimos la longitud de onda al color verde, a 525 (nm), a partir de este punto,

nos indica que hay alguna corriente elctrica.

ZINC:para este metal, en la zona de ultra violeta (283 nm), es que comenzamos anotar alguna corriente elctrica. En la zona ultravioleta es que existe efecto

fotoelctrico.

COBRE: para este metal, en la zona de ultra violeta (259 nm), es quecomenzamos a notar alguna corriente elctrica. En la zona ultravioleta es que

existe efecto fotoelctrico para el cobre.

PLATINO: para este metal, en la zona de ultra violeta (193 nm), es quecomenzamos a notar alguna corriente elctrica. En la zona ultravioleta es que

existe efecto fotoelctrico para el platino.

CALCIO:para este metal, en la zona de violeta (418 nm), es que comenzamos anotar alguna corriente elctrica. En la zona violeta es que existe efecto

fotoelctrico para el calcio.

Elemento Funcin trabajo W0Longitud deonda umbral

o

Frecuenciaumbral f

o

eV J nm HzNa - sodio 2,36 3,7810

-

525 5,7110

Zn - zinc 4,3 6.910-

283 1,010

Cu -cobre 4,7 7,510-19

259 1,11015

Pt - platino 5,93 9,5010-

193 1,4310

Ca - calcio 2,87 4,6010-19

418 6,941014

?? - materialdesconocido

328


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SODIO : 525 nm ZINC: 283 nm

COBRE: 259 nm PLATINO: 193 nm

CALCIO: 418 nm Material desconocido: 328 nm


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Material desconocido: 328 nm. Si dispongo de una tabla, con este dato puedodarme cuenta de que material o elemento se trata.

ACTIVIDAD No. 5

Compara este fenmeno con lo que ocurrira si se dispara con un arma varias

armas de repeticin sobre un muro de concreto. Realizar el ejercicio mental, y

responda si el nmero las partculas desprendidas por el muro, depende de la

frecuencia de los disparo, depende de la intensidad de los mismos. Hallar la

diferencia con el efecto fotoelctrico, y responder porque el efecto fotoelctrico es

un fenmeno que presenta un comportamiento totalmente diferente a la

experiencia macroscpica de la cual estamos habituados.

Respuesta:

Al disparar con un arma de repeticin sobre un muro de concreto, las balas que

viajan con menos energa rebotan en su totalidad, las balas que tengan un poco

mas de energa pueden quedar incrustadas en el muro, y a mayor energa del

proyectil, este puede perforar y atravesar el muro. La cantidad de balas que

rebotan depende directamente de la frecuencia con que sean disparadas. Cuanto

ms velocidad y peso lleve el proyectil, ms energa ser capaz de transportar y

ceder. Este fenmeno lo analizamos desde el punto de vista de la fsica clsica.

Para el efecto fotoelctrico, es diferente, ya que estamos tratando con velocidades

cercanas a la velocidad de la luz y con partculas elementales. La incidencia de luz

en el ctodo, provoca una inyeccin de electrones. Al disminuir la longitud de

onda, aumentamos la frecuencia. Para cada metal, existe una frecuencia mnima,

a partir del cual es posible la inyeccin de electrones. Esa frecuencia mnima tiene

que ver con la energa necesaria para liberar cada uno de los electrones de un

metal. La intensidad de la radiacin, no afecta.

Cuando luz incide sobre un ctodo de material fotosensible, este emite electrones

con una energa cintica que depende de la longitud de onda de la luz incidente y

del tipo de material del ctodo.


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CONCLUSIONES

1. Al desarrollar este trabajo comprendimos en gran manera el efectofotoelctrico, la importancia de los fotones y su frecuencia en el mismo.

2. En ausencia de la luz, la corriente no fluye en el circuito, sea no hay efectofotoelctrico.

3. Los electrones arrancados de la placa de metal se llaman fotoelectrones yson iguales que otros electrones.

4. La luz que incide sobre la placa de metal debe de tener una frecuenciamnima (fo) para arrancar los electrones del metal; esta frecuencia mnima

vara con la clase de metal que se utilice; a la frecuencia mnima se la llamafrecuencia umbral o de entrada.

5. Luz de frecuencia bajo fo no puede arrancar electrones del metal, noimporta cun grande sea la intensidad de la luz.

6. Luz ms intensa significa ms energa a lo largo del frente de onda y mselectrones deben de arrancarse de la placa metlica.

7. Los electrones que se liberan de la superficie del metal tienen energa

cintica mayor que los electrones que se liberan bajo la superficie de este.


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MATERIALES

Simulador efecto fotoelctrico

Tabla dinmica en Excel

BIBLIOGRAFA

- Mdulo Fsica Moderna. UNAD.

- Gua Trabajo Colaborativo No. 3. Fsica Moderna. UNAD

299003 2 trabajocolaborativo no.3

Documents