FísicaMedioProblema · 2,5 pts

Efecto fotoeléctrico y cuantización

También trata: Dualidad onda-corpúsculo e incertidumbre
Andalucía · 2019 · Reserva 4 · Opción B
Enunciado
a) i) ¿Se puede determinar simultáneamente y con exactitud la posición y la cantidad de movimiento de una partícula? ii) ¿Se tiene en cuenta el principio de incertidumbre en los fenómenos ordinarios?

b) Al iluminar un metal con radiación de frecuencia 7,89⋅1014 Hz7{,}89\cdot10^{14}\,\text{Hz} se emiten electrones que requieren una diferencia de potencial de frenado de 1,3 V1{,}3\,\text{V}. Calcule el trabajo de extracción y justifique si con una radiación de 4⋅1014 Hz4\cdot10^{14}\,\text{Hz} habrá emisión.

Datos: h=6,63⋅10−34 J sh = 6{,}63\cdot10^{-34}\,\text{J s}; e=1,6⋅10−19 Ce = 1{,}6\cdot10^{-19}\,\text{C}.
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Resultado
  W0=3,15⋅10−19 J (≈1,97 eV);f=4⋅1014 Hz<f0⇒sin emisioˊn  \boxed{\;W_0 = 3{,}15\cdot10^{-19}\ \text{J}\ (\approx 1{,}97\ \text{eV})\quad;\quad f = 4\cdot10^{14}\,\text{Hz} < f_0 \Rightarrow \text{sin emisión}\;}
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Estrategia

Principio de incertidumbre de Heisenberg: Δx Δp≥ℏ/2\Delta x\,\Delta p \ge \hbar/2; no se pueden conocer ambas con exactitud simultánea, pero para objetos macroscópicos ℏ\hbar es tan pequeño que es inapreciable. En b) usamos hf=W0+Ec,maˊxhf = W_0 + E_{c,\text{máx}} con Ec,maˊx=eVfrenadoE_{c,\text{máx}} = eV_{\text{frenado}}; habrá emisión solo si f>f0=W0/hf > f_0 = W_0/h.
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Desarrollo

a.i) No. El principio de incertidumbre de Heisenberg establece que no es posible medir simultáneamente y con precisión arbitraria la posición y la cantidad de movimiento (en la misma dirección) de una partícula:Δx Δpx≥h4π\Delta x\,\Delta p_x \ge \frac{h}{4\pi}No es una limitación de los aparatos de medida, sino una consecuencia de la naturaleza dual onda-partícula de la materia: el propio acto de medir perturba el sistema. Cuanto más precisamente se conoce la posición (Δx→0\Delta x\to0), mayor es la indeterminación del momento (Δpx→∞\Delta p_x\to\infty), y viceversa. Por ello, en física cuántica no tiene sentido hablar de trayectorias definidas, sino de probabilidades.

a.ii) En la práctica no, porque su efecto es inapreciable. El producto mínimo de incertidumbres, h/4π≈5⋅10−35 J sh/4\pi\approx5\cdot10^{-35}\,\text{J s}, es muchísimo menor que las precisiones con que se miden objetos macroscópicos. Por ejemplo, para una pelota de 0,1 kg0{,}1\,\text{kg} localizada con Δx=10−6 m\Delta x = 10^{-6}\,\text{m}, Δv≥h4πm Δx≈5⋅10−28 m/s\Delta v \ge \dfrac{h}{4\pi m\,\Delta x}\approx5\cdot10^{-28}\,\text{m/s}, indetectable. En cambio, para un electrón (m≈9,1⋅10−31 kgm\approx9{,}1\cdot10^{-31}\,\text{kg}) confinado en un átomo (Δx≈10−10 m\Delta x\approx10^{-10}\,\text{m}), Δv≈6⋅105 m/s\Delta v\approx6\cdot10^{5}\,\text{m/s}, del orden de su propia velocidad. El principio solo es relevante en el mundo microscópico; en los fenómenos ordinarios la mecánica clásica es una excelente aproximación.

b) Energía cinética máxima y trabajo de extracción:Ec,maˊx=eV=1,6⋅10−19⋅1,3=2,08⋅10−19 JE_{c,\text{máx}} = eV = 1{,}6\cdot10^{-19}\cdot1{,}3 = 2{,}08\cdot10^{-19}\ \text{J}W0=hf−Ec,maˊx=6,63⋅10−34⋅7,89⋅1014−2,08⋅10−19=3,15⋅10−19 JW_0 = hf - E_{c,\text{máx}} = 6{,}63\cdot10^{-34}\cdot7{,}89\cdot10^{14} - 2{,}08\cdot10^{-19} = 3{,}15\cdot10^{-19}\ \text{J}Frecuencia umbral:f0=W0h=3,15⋅10−196,63⋅10−34=4,75⋅1014 Hzf_0 = \frac{W_0}{h} = \frac{3{,}15\cdot10^{-19}}{6{,}63\cdot10^{-34}} = 4{,}75\cdot10^{14}\ \text{Hz}Como 4⋅1014 Hz<f0=4,75⋅1014 Hz4\cdot10^{14}\,\text{Hz} < f_0 = 4{,}75\cdot10^{14}\,\text{Hz}, no habrá emisión de electrones.
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Consejo

El potencial de frenado da directamente la energía cinética máxima (Ec=eVE_c = eV). Para saber si hay emisión, compara la frecuencia con la umbral f0=W0/hf_0 = W_0/h: por debajo de ella, por intensa que sea la luz, no salen electrones.
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