Aporte FASE 3 fisica moderna

FÍSICA MODERNA INFORME FASE 3

GRUPO JESUS MIGUEL VARGAS ZAMUR 1.140.878.562

UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA (CEAD/VALLEDUPAR) 16/04/2017

CONTENIDO Página INTRODUCCIÓN............................................................................3 2. MARCO TEÓRICO.......................................................................4 3. RESULTADOS............................................................................5 3.1 Actividad 1...........................................................................5 3.2 Actividad 2...........................................................................6 3.3 Actividad 3...........................................................................6 3.4 Actividad 4...........................................................................7 3.5 Actividad 5...........................................................................8 4. ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS...................................................9 4.1 Actividad 1...........................................................................9 4.2 Actividad 2...........................................................................9 4.3 Actividad 3...........................................................................9 4.4 Actividad 4...........................................................................9 4.5 Actividad 5...........................................................................9 5. CONCLUSIONES......................................................................10 6. BIBLIOGRAFÍA.........................................................................11

INTRODUCCIÓN Los fotones son las partículas “fundamentales” de la luz, así como los electrones son

las

partículas

fundamentales de la materia, esta

analogía es la que sirvió para realizar el descubrimiento del carácter cuántico de la luz. Por esta misma analogía, años después, De Broglie desarrolló la teoría que formula que la materia también tiene un carácter ondulatorio. La carga eléctrica y la energía tienen una estructura granular (está formada por cuantos), al igual que la materia. Primeramente debemos tener en cuenta que todos los metales emiten electrones. Al exponer un metal a una luz homogénea, de una determinada longitud de onda, el metal emite electrones. Supongamos que lo exponemos a una luz homogénea de color violeta (de determinada longitud de onda), se ha comprobado mediante mediciones que el metal emite electrones los cuales llevan cierta velocidad y por lo tanto, energía cinética. Por el principio de conservación de la energía, sabemos que la energía que lleva el electrón debe venir de otra fuente de energía ¿De dónde gana esta energía el electrón? Esta fuente de energía es la luz. La luz incide en el metal provocando que este desprenda electrones...

2. MARCO TEÓRICO Para la realización de este trabajo colaborativo, es necesario conocer las temáticas siguientes: 

Radiación del cuerpo negro

Consideremos

una

cavidad

cuyas

paredes

están

a

una

cierta

temperatura. Los átomos que componen las paredes están emitiendo radiación electromagnética y al mismo tiempo absorben la radiación emitida por otros átomos de las paredes. Cuando la radiación encerrada dentro de la cavidad alcanza el equilibrio con los átomos de las paredes, la cantidad de energía que emiten los átomos en la unidad de tiempo es igual a la que absorben. En consecuencia, la densidad de energía del campo electromagnético existente en la cavidad es constante. A cada frecuencia corresponde una densidad de energía que depende solamente de la temperatura de las paredes y es independiente del material del que están hechas [1]. La energía emitida por unidad de tiempo en todo el espectro por un cuerpo negro a la temperatura T es: P ( w )=σAe T 4 Donde A, es el área de la superficie del cuerpo. La temperatura T efectiva del Sol será la de un cuerpo negro de la misma área A que emita la energía P por unidad de tiempo del Sol. Supongamos que el Sol es una esfera de radio R, y que medimos la intensidad de la radiación solar a una distancia r del centro del Sol, por ejemplo en la Tierra.

La energía emitida por el Sol, supuesto un cuerpo negro a la temperatura T es P ( w )=4 πRσe T 4 Para determinar la temperatura de la radiación de un cuerpo negro o de una estrella de la misma temperatura se mide la longitud de onda λm a la cual el cuerpo negro emite con intensidad máxima. Aplicando la ley de Wien [2]: λmax T =2.898∗10−3 mK



Efecto fotoeléctrico

Umbral fotoeléctrico Una

vez

hechas

las

mediciones,

Millikan

calculo

las

energías

correspondientes a los fotones para diversas frecuencias de luz y represento los resultados sobre un gráfico. El punto de intersección entre la recta u el eje horizontal determinara la frecuencia umbral v0. El umbral fotoeléctrico se define como la frecuencia para la cual la luz que incide sobre la superficie metálica solo puede liberar los electrones, pero sin comunicarles energía cinética adicional. Para esta frecuencia, la energía cinética ½ mv2 de la ecuación de Einstein es nula y la energía del fotón está dada por w=h v 0 El valor de h es 6.6261965 x 10-34 joule segundo. El Premio Nobel de Física asignado a Millikan en 1923 le fue otorgado en primer

lugar

por

sus

importantes

trabajos

experimentales

de

determinación de la constante de Plank y en segundo lugar también por la carga electrónica e [3].

A partir de la frecuencia umbral existe una longitud de onda umbral que está dada por: λc =

c v0

Donde c es la velocidad de la luz. 1. Si la frecuencia de la radiación es baja (como en la luz visible), los fotones no acarrean la suficiente energía como para arrancar electrones, aunque se aumente la intensidad de la luz o el tiempo durante el cual incide. Para cada tipo de material existe una frecuencia mínima por debajo de la cual no se produce el efecto fotoeléctrico. . Si la frecuencia de la radiación es suficiente para que se produzca el efecto fotoeléctrico, un crecimiento de la intensidad hace que sea mayor el número de electrones arrancados (por ende será mayor la corriente), pero no afecta la velocidad de los electrones. Aumentar la intensidad de la luz equivale a incrementar el número de fotones, pero sin aumentar la energía que transporta cada uno. 3. Según la teoría clásica, habría un tiempo de retardo entre la llegada de la radiación y la emisión del primer electrón. Ya que la energía se distribuye uniformemente sobre el frente de la onda incidente, ésta tardaría al menos algunos cientos de segundos en transferir la energía necesaria. La teoría de Einstein, en cambio, predice que: Una radiación de frecuencia adecuada, aunque de intensidad sumamente baja, produce emisión de electrones en forma instantánea. 4. El trabajo "W" o energía de extracción es necesaria para superar tanto los campos de atracción de los átomos de la superficie, como las pérdidas de energía cinética, debidas a las colisiones internas del

electrón. Kmaxes la energía cinética de los electrones más débilmente ligados al núcleo.

"Wo" es la función trabajo definida como la energía mínima necesaria para que el electrón pase a través de la superficie del metal y escape de las fuerzas de atracción que normalmente fijan el electrón al metal. Se dice que un fotón de frecuencia de umbral, tiene justamente la energía suficiente para extraer los foto electrones, por lo tanto a la frecuencia, Kmax

cero,

se denomina la frecuencia de

corte.Los fotones con energía insuficiente (frecuencia inferior a la umbral),

no

consiguen

arrancar

electrones,

reflejándose

o

transformándose en otras formas de energía. No generan corriente eléctrica La frecuencia de corte, es la frecuencia por debajo de la cual no ocurre el efecto fotoeléctrico. Durante el proceso fotoeléctrico un fotón es completamente absorbido por un electrón del foto cátodo 5. Se entiende como potencial de frenamiento "Vo". El potencial para el cual la corriente fotoeléctrica se hace cero. "Kmax" es la energía cinética de los fotoelectrones más rápidos, débilmente ligados al núcleo. Pasaron diez años de experimentación hasta que la nueva teoría fue corroborada y aceptada. Se determinó el valor de h a partir de experiencias de efecto fotoeléctrico y se encontró que concordaba perfectamente con el valor hallado por Planck a partir del espectro de radiación de cuerpo negro

Desde

ese

momento

los

físicos

aceptaron que, si bien la luz se propaga como si fuera una onda, al interactuar con la materia (en

los

procesos

de

absorción y emisión) se comporta como un haz de partículas. Esta sorprendente conducta es lo que se ha llamado la naturaleza dual de la luz. Esto muestra que las ideas surgidas del mundo macroscópico no son aplicables al inimaginable mundo de lo diminuto. 

Radiación del Cuerpo Negro

Un objeto ideal que absorbe toda la radiación que llega a su superficie se llama “cuerpo negro”. Un cuerpo negro es también un emisor perfecto de radiación y emite la máxima cantidad de energía a cualquier temperatura. Ejemplo el sol 

El Problema del Cuerpo Negro

Para determinar con precisión matemática las leyes de la radiación térmica se elige un cuerpo estándar que emita y absorba radiación térmica lo más perfectamente posible. Los físicos idearon un cuerpo con tales características:  Una caja negra con un pequeño orificio Para hacer que la caja sea una fuente luminosa, se calientan sus paredes hasta que estas empiezan a emitir Luz. Al medir la radiación emitida por un cuerpo negro, se observó la siguiente distribución para la densidad de energía radiada: La teoría clásica predecía bien tanto la

región de bajas frecuencias, como la región de altas frecuencias, pero no todo el espectro. La energía irradiada por unidad de área, por unidad de tiempo y por intervalo de longitud de onda, emitida por un cuerpo negro, se llama radiancia (R) Las curvas obtenidas experimentalmente, difieren tremendamente de las que predice la teoría ondulatoria. Desde el punto de vista clásico la radiación se debe a cargas aceleradas que al disminuir la longitud de onda la energía irradiada debía aumentar. (Curva verde) La intensidad de la radiación emitida a través del pequeño agujero depende de la temperatura de las paredes del recipiente y de la longitud de onda. La ley del desplazamiento de Wien λ max . T =0,2898 x 10−2m . K

permite

explicar el corrimiento de la intensidad con la frecuencia. La longitud de onda para la cual la intensidad es máxima sufre un corrimiento al violeta cuando la temperatura aumenta