EFECTO FOTOELECTRICO Y COMPTON PDF

En , el fsico alemn Heinrich Hertz descubri accidentalmente que la luz ultravioleta modificaba el voltaje al que se producan chispas entre los electrodos metlicos. El alemn Philipp Lenard describi este fenmeno, llamado efecto fotoelctrico, como la emisin de electrones por parte de las superficies metlicas cuando sobre ellas incide luz visible o ultravioleta, las conclusiones bsicas son: La energa cintica mxima que pueden alcanzar los electrones emitidos no depende de la intensidad de la radiacin incidente. En el efecto fotoelctrico, la emisin de electrones es instantnea. Se da en electrones amarrados, el electrn absorbe al fotn llevndose toda su energa.

Author:Mikus Arashigal
Country:Russian Federation
Language:English (Spanish)
Genre:Health and Food
Published (Last):8 April 2005
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En el capнtulo II vimos cуmo, hasta el siglo XVIII, la luz era vista por unos como un haz de partнculas y por otros como un fenуmeno ondulatorio y cуmo, durante el siglo pasado, la interpretaciуn ondulatoria de la luz dominу, quedando sуlo un par de fenуmenos sin explicar con base en ese modelo.

La soluciуn a los problemas que revisaremos a continuaciуn fue tan desconcertante como reveladora: la luz estб compuesta por paquetes de onda. Estas ondas-partнcula se denominan fotones, y son las mensajeras del campo electromagnйtico. No poseen masa y su velocidad impone un lнmite al que ninguna partнcula material puede viajar. En este capнtulo se describe la evoluciуn de las ideas y los experimentos que llevaron a tan original conclusiуn.

En Pieter Zeeman, de la Universidad de Leyden, utilizу una finнsima malla de difracciуn reciйn desarrollada por Rowland en la Universidad Johns Hopkins para repetir el experimento propuesto por Faraday sobre posibles efectos ante la acciуn de un campo magnйtico en el espectro de emisiуn del sodio.

Su profesor y colega, Hendrik Antoon Lorentz, propuso una explicaciуn teуrica para tal efecto. Segъn Lorentz, la radiaciуn es emitida por cargas que vibran dentro de los бtomos del cuerpo luminoso. Esta oscilaciуn estarнa separada en dos componentes, una paralela y una perpendicular al campo magnйtico externo. Ya que sуlo la oscilaciуn perpendicular serнa sensible al campo, la frecuencia asociada a este movimiento se verнa ligeramente afectada.

Lorentz concluyу que el efecto deberнa implicar, no un ensanchamiento, sino la separaciуn de cada lнnea espectral en tres componentes. La precisiуn del experimento de Zeeman no era lo suficientemente fina como para comprobar una descomposiciуn en tres lнneas, por lo que tomу el ensanchamiento observado como una medida de la separaciуn entre las lнneas extremas, de acuerdo con la predicciуn de Lorentz. Йsta es muy parecida a la obtenida posteriormente por J.

Thomson, quien usу los resultados de Zeeman como evidencia para apoyar sus argumentos sobre la existencia del electrуn como un ente independiente dentro del бtomo. Ademбs, segъn el modelo de Lorentz, la polarizaciуn de la luz 7 asociada a cada lнnea espectral permitirнa inferir el signo de la carga elйctrica del cuerpo oscilante. Zeeman efectuу estas medidas y comprobу que, en efecto, se trataba de cargas negativas. Motivado por el йxito obtenido al explicar las observaciones de Zeeman, Lorentz extendiу la teorнa de Maxwell al caso de la emisiуn y absorciуn de luz por electrones oscilantes en la materia.

Segъn este modelo, cuando la luz ondas electromagnйticas penetra la materia, los campos elйctricos oscilantes inducen oscilaciones en los electrones del medio. La oscilaciуn de estas cargas, a su vez, produce ondas electromagnйticas secundarias en todas direcciones. Tal descripciуn explica elegantemente el principio de Huygens, la dispersiуn, reflecciуn y otros fenуmenos ondulatorios de la luz antes descritos. Ya que la teorнa de Maxwell se refiere a la radiaciуn electromagnйtica en general, y no sуlo a la luz visible, era importante generalizar estas ideas para entender los fenуmenos de absorciуn y emisiуn de radiaciуn tйrmica por un medio.

Segъn el modelo ideal, un cuerpo negro es aquel que es capaz de absorber radiaciуn de cualquier frecuencia o color. Se puede simular bien un cuerpo negro, por ejemplo, con un orificio en una esfera. La radiaciуn que incide en tal orificio se refleja mъltiples veces en el interior de la esfera, habiendo en cada reflexiуn alguna pйrdida por absorciуn. Si las dimensiones del hoyo son pequeсas comparadas con la superficie de la esfera, la probabilidad de que la radiaciуn reflejada internamente escape en su totalidad por el orificio antes de ser absorbida es, idealmente, cero.

La radiaciуn que emerge por el orificio refleja el espectro de emisiуn del propio cuerpo, que es sуlo funciуn de su temperatura.

La intensidad de esta radiaciуn puede ser medida como funciуn de la frecuencia, o sea el espectro del cuerpo negro.

Mediciones de este estilo ya habнan sido efectuadas por varios laboratorios en el siglo XIX. En principio, deberнa ser fбcil entender la relaciуn observada entre la frecuencia y la intensidad.

El cuerpo negro estб compuesto de бtomos que contienen electrones. Al calentar el cuerpo, los electrones vibran y emiten radiaciуn electromagnйtica. Ya que el cuerpo negro absorbe todas las frecuencias con igual probabilidad, y la emisiуn es sуlo el proceso inverso, uno deberнa esperar que todas las frecuencias fueran emitidas con igual probabilidad.

Segъn este modelo, la energнa de una vibraciуn aumenta en una relaciуn proporcional al cuadrado de la frecuencia de la vibraciуn, por lo que una igual probabilidad de emisiуn implica una energнa que aumenta geomйtricamente con la frecuencia.

Los resultados experimentales, sin embargo, indicaban que la intensidad disminuнa a partir de cierta frecuencia mбxima, la cual es funciуn de la temperatura del cuerpo. Existнa, ademбs, otro fenуmeno asociado a la luz que parecнa inexplicable con base en la teorнa de Maxwell. Se trata de un efecto conocido como fotoelйctrico vйase figura 3.

En , Heinrich Rudolf Hertz descubriу que podнa inducir la descarga elйctrica entre dos esferas cargadas al iluminar con luz ultravioleta la zona de descarga. Poco despuйs Wilhelm Hallwachs, investigando este efecto, notу tambiйn que la luz ultravioleta era capaz de descargar placas de cinc cargadas negativamente. Luego se dio cuenta de que este efecto persistнa en otros metales, incluso si disminuнa la intensidad de la luz. Sin embargo encontrу que el efecto desaparecнa si, en lugar de ultravioleta, utilizaba luz roja o infrarroja aun cuando la intensidad fuera aumentada enormemente.

Aсos despuйs, al descubrirse el electrуn, quedу establecido que la descarga de las placas se debнa a la pйrdida de electrones por acciуn del campo electromagnйtico de la luz incidente.

Figura 3. Efecto fotoelйctrico. Hallwachs descubriу que la luz es capaz de arrancar electrones de una superficie siempre que su frecuencia supere un cierto umbral Vo relacionado con la energнa que liga a los electrones. Segъn la teorнa electromagnйtica de Maxwell, la energнa asociada a la luz incidente dependнa tanto de su frecuencia como de su intensidad. De acuerdo con esto, si bien la luz roja tiene menor frecuencia, al aumentar la intensidad deberнa vencerse el potencial que ata a los electrones a la superficie.

Inversamente, al disminuir la intensidad de la luz ultravioleta, deberнan disminuir, proporcionalmente, los fotoelectrones. Ambas predicciones contradecнan las evidencias experimentales de Hertz y Hallwachs. En resumen, la teorнa electromagnйtica de Maxwell, que habнa explicado con gran йxito la fenomenologнa de la luz, parecнa tropezar ahora con problemas al aplicarse a los fenуmenos asociados a la radiaciуn calorнfica y al efecto fotoelйctrico.

Principia el siglo XX y toca su turno a Max Planck. En los Planck se fueron a vivir a Munich, donde Max iniciу sus estudios en fнsica. De ahн fue a Berlнn, donde tuvo como profesores a Kirchhoff y a Helmholtz. En , de vuelta a Munich, recibiу el doctorado con una tesis sobre termodinбmica. En Kiel consiguiу su primer puesto como profesor, en el que permaneciу hasta cuando, a la muerte de Kirchhoff, Planck heredу su plaza en Berlнn. Hacia comenzу a trabajar en el problema de la emisividad del cuerpo negro.

Convencido de que la radiaciуn del cuerpo negro no depende de la naturaleza de las paredes sino, tan sуlo, de su temperatura, Planck atacу el problema imaginando que la absorciуn y emisiуn de radiaciуn se realizaban a travйs de osciladores. Aсos antes, en , el alemбn Wilhelm Wien Premio Nobel de habнa logrado combinar la formulaciуn de Maxwell con las leyes de la termodinбmica para tratar de explicar la emisividad del cuerpo negro pero, como sabemos, sus predicciones no coincidieron con el experimento.

Impresionado por la elegancia del trabajo de Wien, Planck intentу modificarlo y generalizarlo para ajustar los datos experimentales, usando como truco de cбlculo una fragmentaciуn de la energнa transferida por los osciladores en paquetes, cuyo tamaсo pensу reducir para recuperar la forma continua del flujo de energнa entre los osciladores. Sin embargo, encontrу que sуlo se ajustaban los observables experimentales si el tamaсo de sus paquetes permanecнa finito.

Si bien este resultado permitiу resolver un problema, el de la radiaciуn del cuerpo negro, la verdadera magnitud del significado de los paquetes, los cuantos de Planck, pasу desapercibida hasta que un modesto empleado de la oficina de patentes en Berna, como se verб en seguida, utilizу el concepto para explicar el efecto fotoelйctrico.

Planck recibiу el Premio Nobel en por el trabajo reciйn descrito. Seis semanas despuйs, su familia se trasladу a Munich, donde Albert recibiу la educaciуn primaria; posteriormente estudiу en Aarau, Suiza, e ingresу en al Politйcnico de Zurich, para prepararse como maestro de fнsica y matemбticas. En recibiу su diploma y se nacionalizу suizo.

Al no encontrar trabajo como maestro, tomу un puesto como asistente tйcnico en la oficina de patentes de Berna. En obtuvo su doctorado y publicу tres trabajos que pasarнan a ser considerados entre los mбs importantes en la fнsica de nuestro siglo.

En marzo de , Einstein publicу el artнculo que nos concierne aquн, y que fue considerado por el Comitй Nobel como el principal motivo para otorgarle el premio en En йl explica sus ideas sobre la generaciуn y la transformaciуn de la luz, y aplica su modelo a la descripciуn del efecto fotoelйctrico. La idea de Einstein utiliza el resultado de Planck sobre la aparente emisiуn de energнa de un cuerpo negro en forma de paquetes; sin embargo, Einstein propone que la cuantizaciуn es una propiedad intrнnseca de la luz y no de los osciladores como habнa pensado Planck.

En este nuevo modelo, la luz es una onda electromagnйtica, tal como lo propuso Maxwell, sуlo que en lugar de tratarse de una onda continua se encuentra modulada en paquetes de energнa.

Esto implica una dualidad de caracterнsticas pues, a pesar de ser una onda, al estar localizada en el espacio y poseer una energнa definida, presenta caracterнsticas similares a las de las partнculas.

Las predicciones de Einstein sobre el efecto fotoelйctrico fueron verificadas con precisiуn por Millikan en Sin embargo, habнa una diferencia entre cuantos de energнa y las partнculas, pues estas ъltimas tambiйn se caracterizan por un нmpetu lineal.

La posibilidad de asignar нmpetu a los cuantos no puede ser asociada a un solo autor o a un solo trabajo, si bien hacia el propio Einstein ya se referнa a los cuantos en este sentido. Tuvieron que pasar varios aсos antes que esta hipуtesis pudiera ser comprobada. Los primeros experimentos fueron realizados por el norteamericano Arthur Holly Compton Premio Nobel y consistнan en estudiar la dispersiуn de rayos X por electrones. Las observaciones de Compton confirmaron que al chocar un cuanto de luz con un electrуn, йstos dividen su energнa y su нmpetu de acuerdo con la cinemбtica que se esperarнa del choque entre dos partнculas.

En octubre de , Gibert Newton Lewis, en un artнculo en la revista inglesa Nature, se refiriу por primera vez a los cuantos de energнa como fotones, lo que implicaba la aceptaciуn del cuanto de luz en el campo de las partнculas elementales. Paradуjicamente, al tiempo que se consolidaba el concepto del fotуn como una partнcula, el concepto de materia, y por tanto el de partнcula, perdiу el sentido determinista que hasta entonces se le asociaba.

En el prнncipe francйs Louis Victor de Broglie propuso una teorнa sobre el electrуn, que posteriormente fue generalizada para el resto de las partнculas, en la cual se consideraba al electrуn como un paquete de onda, similar al fotуn, pero con masa.

La teorнa de De Broglie, que le mereciу el Premio Nobel en , fue comprobada con йxito tres aсos despuйs por Clinton Davisson y Lester Germer al observar la difracciуn de electrones a travйs de un cristal. Desde entonces, onda y partнcula, energнa y materia, se confunden, y el paso de una a la otra se rige por las leyes de la relatividad y la mecбnica cuбntica.

RESUMEN Una vez establecida la naturaleza ondulatoria de la luz, el descubrimiento del electrуn permitiу postular que la luz se producнa como consecuencia de oscilaciones electrуnicas en el бtomo secciуn IV. Sin embargo, el resultado de ciertos experimentos tendientes a establecer la relaciуn entre luz y radiaciуn tйrmica no pudo ser explicado con la cйlebre teorнa de Maxwell secciуn IV.

La cuantizaciуn de la energнa fue propuesta a principios de siglo XX por Planck como posible soluciуn a uno de estos problemas secciуn IV.

Einstein utilizу esta idea para explicar otros efectos secciуn IV. La divisiуn entre ondas y partнculas desaparece en la dйcada de cuando Compton demuestra que los fotones no sуlo son absorbidos, sino que pueden ser dispersados como partнculas, mientras que De Broglie descubre que las partнculas materiales tambiйn se comportan como ondas secciуn IV.

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