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El efecto fotoeléctrico es un fenómeno físico básico que no solo tiene una variedad de aplicaciones prácticas en la actualidad, sino que también ha inspirado un campo completamente nuevo de la ciencia.
Un metal contiene muchos electrones móviles. Estos electrones pueden ser excitados cuando se les proporciona energía. Y, si la energía es lo suficientemente alta, los electrones pueden ser excitados fuera del metal.
Cuando tal excitación se realiza con luz, los electrones expulsados se conocen como fotoelectrones, lo que le da a este efecto su nombre: efecto fotoeléctrico.
Aquí, demostraremos el efecto fotoeléctrico utilizando una placa de metal de zinc cargada que se somete a la luz regular de la lámpara y a la luz ultravioleta.
Antes de aprender a realizar el experimento y recopilar datos, analicemos los parámetros y principios que rigen este efecto. Se ha observado que para que ocurra el efecto fotoeléctrico, la frecuencia 'f' de la luz tiene que exceder un umbral mínimo 'f0' (léase f-cero).
Para entender por qué esto es importante, acerquémonos y echemos un vistazo a este proceso a nivel microscópico. Cuando la luz brilla sobre un metal, los fotones de luz individuales son absorbidos por los electrones del metal. Ahora, para que estos electrones se liberen del metal, tienen que realizar algún trabajo.
Por lo tanto, la energía del fotón absorbido E debería ser mayor que esta "función de trabajo" W del metal, donde la función de trabajo representa la energía mínima, o energía umbral, necesaria para liberar un electrón de un metal específico.
Ahora bien, dado que la energía del fotón es directamente proporcional a la frecuencia de la luz, la energía umbral corresponde a la frecuencia umbral f0.
La relación entre energía y frecuencia viene dada por esta ecuación, donde h es la constante de Plank. La misma ecuación también se puede utilizar para calcular la frecuencia umbral.
Por ejemplo, la función de trabajo del zinc es de 4,3 electronvoltios. Esto significa que la frecuencia umbral para que ocurra el efecto fotoeléctrico en el zinc será de 10^15 hercios, lo que corresponde a una longitud de onda umbral ?0 de 300 nanómetros. Una longitud de onda tan corta corresponde a la luz ultravioleta
Una vez revisados los principios detrás del efecto fotoeléctrico, repasemos ahora el protocolo paso a paso para demostrar este efecto a través de un experimento simple.
Obtenga todos los instrumentos y materiales necesarios para el experimento, a saber, un electroscopio, una placa de metal de zinc, un trozo de papel de lija, una fuente UV que tenga un componente de longitud de onda inferior a 300 nm, una lámpara regular que proporcione luz visible, una varilla acrílica, un trozo de piel y un par de anteojos con protección UV.
Primero, con el papel de lija, pula la superficie de la placa de metal de zinc. Esto elimina el óxido de zinc en la superficie del metal y facilita la transferencia de electrones. Coloque la placa de zinc sobre la placa metálica del electroscopio. Asegúrese de que la placa de zinc esté en contacto directo con el electroscopio.
A continuación, frote la varilla con el trozo de piel cinco o seis veces, para que la varilla se cargue negativamente. Acerque la varilla a la placa de zinc asegurándose de que no entren en contacto entre sí.
Con la otra mano, toque brevemente la placa de zinc para cargar positivamente la placa de zinc a través de la inducción. La aguja del electroscopio debe desviarse para indicar que la placa de metal y todas las partes del electroscopio conectadas a ella están cargadas.
A continuación, encienda la lámpara visible y acérquela al electroscopio y haga brillar su luz sobre la placa de zinc. Observe la respuesta del electroscopio.
Ahora, apague la lámpara normal y póngase las gafas con protección UV. Retire la placa de vidrio y encienda la lámpara para obtener una fuente de luz UV y acercarla al electroscopio. Haz brillar la luz ultravioleta sobre el metal de zinc. Observe la respuesta del electroscopio. A continuación, apague la luz ultravioleta.
Ahora, frote la varilla nuevamente con la piel cinco o seis veces, para que la varilla se cargue negativamente. Ponga la varilla en contacto directo con la placa de zinc.
Esto dará como resultado una desviación de la aguja del electroscopio debido a la transferencia de algunas cargas negativas a la placa de zinc. Guarde la varilla y asegúrese de no tocar la placa de metal de zinc con la mano ni con ningún otro objeto.
A continuación, encienda la lámpara visible y acérquela al electroscopio y haga brillar su luz sobre la placa de zinc. Observe la respuesta del electroscopio.
Póngase las gafas con protección UV. Retire la placa de vidrio y encienda la luz ultravioleta y acérquela al electroscopio. Haz brillar la luz ultravioleta sobre el metal de zinc. Observe la respuesta del electroscopio. A continuación, apague la luz ultravioleta.
Repasemos e interpretemos ahora los resultados de estos experimentos.
En la primera mitad del experimento, donde la varilla cargada y la placa de zinc no están en contacto directo entre sí, la aguja permanece desviada tanto para la lámpara normal como para la iluminación con luz ultravioleta, lo que indica que la placa de zinc permanece cargada.
Esto ocurre porque la placa de zinc, que ya ha perdido algunos electrones para cargarse positivamente, pierde aún más algunos fotoelectrones cuando se le ilumina con luz ultravioleta. Esto solo hace que la placa de zinc tenga una carga ligeramente más positiva, desviando un poco más la aguja del electroscopio.
Por otro lado, cuando la varilla cargada y la placa de zinc entran en contacto entre sí, observamos que el uso de la luz de la lámpara regular no tiene ningún efecto sobre el electroscopio. Sin embargo, el uso de la lámpara UV hace que la aguja del electroscopio colapse y vuelva a la posición sin carga sin deflexión
Esto ocurre porque solo los fotones de luz UV tienen suficiente energía que está por encima de la función de trabajo del zinc, para expulsar fotoelectrones. Esto descarga la placa de zinc que anteriormente estaba cargada negativamente.
Al igual que en el caso anterior, la luz visible no tiene suficiente energía para excitar los fotoelectrones, por lo que la placa de zinc no se descarga.
La fotoelectrónica se ha estudiado durante muchas décadas y ha llevado al desarrollo de nuevos campos de estudio y múltiples aplicaciones.
El efecto fotoeléctrico se ha utilizado para fabricar diversos dispositivos optoelectrónicos que tienen variadas aplicaciones prácticas. Un ejemplo de dispositivo optoelectrónico es el interruptor eléctrico fotosensible.
Aquí, el bloqueo o desbloqueo de un haz de luz que incide sobre un metal apaga o enciende una corriente eléctrica debido a la ausencia o presencia de fotoelectrones.
Los dispositivos de visión nocturna o NVD también utilizan los principios del efecto fotoeléctrico para permitir que las imágenes se produzcan en niveles de luz que se acercan a la oscuridad total. En resumen, los fotones que golpean una película delgada de metal alcalino o material semiconductor dentro del dispositivo causan la expulsión de fotoelectrones debido al efecto fotoeléctrico.
Estos electrones son acelerados por un campo electrostático y multiplicados a través de emisiones secundarias para intensificar la señal original. A continuación, se hace que los electrones multiplicados golpeen una pantalla recubierta de fósforo, convirtiendo los electrones de nuevo en fotones, formando así una imagen.
Acabas de ver la introducción de JoVE al efecto fotoeléctrico. Ahora debe comprender los conceptos básicos del efecto fotoeléctrico y también comprender por qué los metales cargados solo se pueden descargar usando luz de una frecuencia específica. Además, este video demostró un experimento simple para visualizar el efecto fotoeléctrico utilizando una placa de metal de zinc cargada expuesta a la luz visible y a la luz ultravioleta. ¡Gracias por mirar!
