El efecto fotoeléctrico: un umbral energético agudo
1 · Predecir
Luz de diferentes longitudes de onda incide sobre un metal con función de trabajo 2.3 eV. Mientras ambas longitudes de onda estén por encima del umbral, ¿un fotón más azul (de longitud de onda más corta) expulsa un electrón con más energía cinética?
- No, la energía cinética depende solo de la intensidad de la luz, no de la longitud de onda.
- Depende del color del metal, no de la longitud de onda de la luz.
- Sí, por encima del umbral, una longitud de onda más corta significa una mayor energía de los fotones, por lo que los electrones expulsados tienen más energía cinética.
2 · Configurar
- Abra el valor preestablecido del umbral fotoeléctrico y presione Restablecer. La función de trabajo de la fotocélula está fijada en 2.3 eV.
- Habilite las lecturas de energía de fotones y energía cinética máxima.
- Establezca la longitud de onda de la luz para cada prueba y registre la energía cinética máxima de los electrones expulsados.
3 · Recopilar Datos
| Longitud de onda λ (nm) | Energía del fotón E_γ (eV) | Energía cinética máxima K_max (eV) |
|---|---|---|
| 300.00 | ||
| 350.00 | ||
| 400.00 |
Grafique K_max (eje y) frente a 1/λ (eje x) para sus tres pruebas. ¿La línea es recta?
4 · Analizar
- Para una prueba, calcule E_γ = hc/λ usando h = 6.626×10⁻³⁴ J·s, c = 3×10⁸ m/s, luego K_max = E_γ − φ usando φ = 2.3 eV. Compare ambos con la tabla.
- Explique por qué K_max aumenta linealmente con la energía del fotón (y por lo tanto con 1/λ) una vez que está por encima del umbral, con una pendiente de exactamente 1 y una intersección con el eje y de −φ.
5 · Ampliar
- La teoría ondulatoria clásica predijo que incluso la luz tenue y de baja frecuencia eventualmente expulsaría electrones si se espera lo suficiente o se aumenta la intensidad. Explique por qué el agudo umbral de energía del efecto fotoeléctrico (independiente de la intensidad) era tan sorprendente antes de la explicación de los fotones de Einstein.
- Si duplicaras la intensidad de la luz a la misma longitud de onda, ¿cambiaría K_max? ¿Qué cambiaría en su lugar?
La física detrás de este experimento
Energía de fotones
La energía de un fotón depende únicamente de su longitud de onda (o frecuencia): E = hc/λ = hf. Una longitud de onda más corta significa fotones de mayor energía.
Energía cinética máxima del fotoelectrón
Ecuación fotoeléctrica de Einstein: la energía de un fotón entrante primero paga la función de trabajo (la energía que une un electrón al metal), y lo que sobra se convierte en la energía cinética del electrón expulsado: K_max = E_γ − φ.