19. Efecto fotoeléctrico. Descripción. Explicación cuántica. Teoría de Einstein. Frecuencia umbral. Trabajo de extracción.
El efecto fotoeléctrico consiste en la emisión de electrones cuando los metales son irradiados con una radiación electromagnética de frecuencia superior a una dada, llamada frecuencia umbral.
Descripción: Evidencias experimentales
Los primeros experimentos se realizaron irradiando el cátodo (polo negativo) de un circuito eléctrico. En dicho cátodo se colocaban diferentes metales. Se observó lo siguiente: a.La emisión de electrones comienza y cesa inmediatamente cuando comienza y cesa la irradiación sobre el cátodo metálico. B.La radiación debe tener una frecuencia superior a una concreta para cada metal, para que se produzca emisión de electrones. Se denomina frecuencia umbral. Teniendo en cuenta que la longitud de onda es inversamente proporcional a la frecuencia, la longitud de onda deberá ser inferior a una concreta para que haya efecto fotoeléctrico. C.Si la frecuencia de la radiación es la umbral, sólo se produce emisión de electrones pero éstos no adquieren velocidad. Si se aumenta la frecuencia aumenta la velocidad de los electrones d.Por debajo de la frecuencia umbral no conseguimos arrancar electrones, por mucho que se aumente la intensidad. E.Para frecuencias superiores a la umbral si se aumenta la intensidad de la lámpara el resultado es la emisión de un mayor número de electrones, pero no una mayor velocidad. Este fenómeno no tiene explicación si se considera la luz como una onda, porque en ese caso, la intensidad de la radiación debería haber influido en la velocidad de los electrones.Explicación cuántica
La energía que posee un haz de luz de determinada frecuencia depende de dos factores, en primer lugar de la propia frecuencia (E fotón = h.■). Ésta es la energía carácterística de la radiación, la energía de uno de sus fotones. Sin embargo, un haz está formado por un gran número de fotones, así que la energía total del haz es la suma de las debidas a cada uno de los fotones E haz = N.E fotón siendo N el número de fotones.La intensidad (o potencia) de la radiación está determinada por el número total de fotones que la componen.
Interpretación de Einstein del efecto fotoeléctrico
La radiación electromagnética no sólo se emite sino que se propaga y absorbe en forma de pequeños paquetes de energía (fotones). Cuando un fotón choca contra la superficie del metal libera energía y esa energía es empleada por el electrón en vencer la fuerza que lo mantiene enlazado al metal y si sobra en adquirir velocidad. Si la energía que lleva un fotón es inferior a la necesaria para arrancar el electrón no habrá efecto fotoeléctrico.Si la energía del fotón es la umbral se produce sólo la emisión de electrones, si la energía del fotón es mayor que la umbral la energía restante se convierte en energía cinética.
Cuanto más intenso es un haz de radiación, mayor es el número de fotones que impactan contra el metal y por tanto, mayor el número de electrones emitidos, pero como el reparto energético es fotón – electrón todos salen con la misma velocidad.
W ext e- = Trabajo de extracción o función de trabajo: Energía mínima necesaria para extraer un electrón de un determinado metal.
V0 = Frecuencia umbral
Frecuencia mínima que debe tener una radiación electromagnética para arrancar un electrón de determinado metal mediante efecto fotoeléctrico.Experimentalmente se ha comprobado que el efecto fotoeléctrico no sólo se produce al irradiar el cátodo (polo negativo) sino también cuando irradiamos el ánodo. En este caso el campo creado entre los polos tiende a desplazar los electrones en sentido opuesto al adquirido por efecto fotoeléctrico. Aumentando la diferencia de potencial se puede conseguir frenar a los electrones. De esta manera se mide cuál es la energía cinética máxima adquirida por efecto fotoeléctrico. Teniendo en cuenta la conversión en energía cinética de la variación de energía potencial Ec = qAV (módulo).
20.Describir el fenómeno de la radiactividad natural. Desintegración radiactiva. Emisión de partículas alfa, beta y gamma. Leyes de Soddy y Fajans. Ejemplos. Radiactividad natural
Es el proceso por el cual los núcleos atómicos de ciertas sustancias emiten radiación de manera espontánea y se transforman en núcleos de elementos diferentes en un estado de menor energía.
Emisión de partículas alfa, beta y gamma
Las partículas alfa son núcleos de helio.Son partículas cargadas positivamente. Tienen alto poder ionizante pero poco poder de penetración. Pueden ser detenidas por un papel o la piel humana. Las partículas beta son partículas negativas idénticas a los electrones. Su poder de penetración es superior al de las partículas alfa pero pueden ser detenidas por una lámina de aluminio. Su poder de ionización es inferior al de las partículas alfa. El electrón desprendido no pertenece a la corteza del átomo. Procede del núcleo como consecuencia de la interacción nuclear débil. Un neutrón se convierte en un protón con la consecuente formación de un electrón y un antineutrino. Los rayos gamma son radiación electromagnética y por ello no se desvía al atravesar un campo eléctrico. Tiene el menor poder de ionización pero el mayor poder de penetración (mayor que el de los rayos X). Para detenerla son necesarios bloques de hormigón. Es muy peligrosa. Sus consecuencias son devastadoras para los seres vivos ya que puede alterar el material genético.
Leyes de Soddy – Fajans Primera ley
Cuando un núclido emite una partícula alfa se transforma en otro núclido cuyo número atómico desciende en dos unidades y su número másico en cuatro.
Segunda ley:
Cuando un núclido emite una partícula beta se transforma en otro núclido cuyo número atómico aumenta en una unidad y su número másico no varía.Tercera ley:
Cuando un núclido emite radiación gamma sigue siendo el mismo núclido (no varían ni el número atómico ni el másico) pero en un estado energético diferente.Cinética de desintegración radiactiva La desintegración de una especie radiactiva es un proceso espontáneo que se desarrolla al azar y no está influenciado por factores externos. Las leyes que describen la desintegración radiactiva no son casuales sino estadísticas. En una muestra de isótopos radiactivos no se puede predecir cuándo se decompondrá un núcleo concreto pero sí se puede determinar experimentalmente la velocidad de desintegración de la muestra. En la figura anterior se muestra la evolución típica del número de núcleos radiactivos (aún sin desintegrar) de una muestra a lo largo del tiempo. Se puede comprobar que siempre se tarda el mismo tiempo en reducir una muestra a su mitad.
Por eso mismo, el número total de núcleos desintegrado en cada intervalo es cada vez menor. Se llama actividad radiactiva (A) al número de núclidos que se desintegran por unidad de tiempo. Su valor depende del tipo de núclido y del número de núclidos presentes. Se denomina periodo de semidesintegración (T1/2) al tiempo que tarda en desintegrase la mitad de los núcleos que había en la muestra.