FísicaFácil1 pts

Efecto fotoeléctrico y cuantización

Castilla y León · 2022 · Julio
Enunciado
Cuando una superficie de un metal es iluminada con luz de λ=253,7 nm\lambda = 253{,}7\ \text{nm} el valor del potencial de frenado es 0,24 V0{,}24\ \text{V}. Halle la frecuencia umbral del metal.

Datos (de la tabla de constantes del examen): h=6,63⋅10−34 J sh = 6{,}63\cdot 10^{-34}\ \text{J}\,\text{s}; c0=3,00⋅108 m s−1c_0 = 3{,}00\cdot 10^{8}\ \text{m}\,\text{s}^{-1}; e=1,60⋅10−19 Ce = 1{,}60\cdot 10^{-19}\ \text{C}.
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Resultado
  f0=c0λ−e Vfh=1,12⋅1015 Hz  \boxed{\;f_0 = \frac{c_0}{\lambda} - \frac{e\,V_f}{h} = 1{,}12\cdot 10^{15}\ \text{Hz}\;}
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Estrategia

La ecuación de Einstein del efecto fotoeléctrico reparte la energía del fotón entre el trabajo de extracción y la energía cinética máxima de los electrones: hf=hf0+Ec,max⁡hf = hf_0 + E_{c,\max}. El potencial de frenado da esa energía cinética, Ec,max⁡=eVfE_{c,\max} = eV_f. Despejamos f0f_0.
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Desarrollo

Frecuencia de la luz incidente:f=c0λ=3,00⋅108253,7⋅10−9=1,18⋅1015 Hzf = \frac{c_0}{\lambda} = \frac{3{,}00\cdot 10^{8}}{253{,}7\cdot 10^{-9}} = 1{,}18\cdot 10^{15}\ \text{Hz}Energía cinética máxima de los fotoelectrones (la que anula el potencial de frenado):Ec,max⁡=e Vf=1,60⋅10−19⋅0,24=3,84⋅10−20 JE_{c,\max} = e\,V_f = 1{,}60\cdot 10^{-19}\cdot 0{,}24 = 3{,}84\cdot 10^{-20}\ \text{J}Ecuación de Einstein:hf=hf0+eVf⟹f0=f−eVfhh f = h f_0 + e V_f\quad\Longrightarrow\quad f_0 = f - \frac{e V_f}{h}f0=1,1825⋅1015−3,84⋅10−206,63⋅10−34=1,1825⋅1015−5,79⋅1013=1,12⋅1015 Hzf_0 = 1{,}1825\cdot 10^{15} - \frac{3{,}84\cdot 10^{-20}}{6{,}63\cdot 10^{-34}} = 1{,}1825\cdot 10^{15} - 5{,}79\cdot 10^{13} = 1{,}12\cdot 10^{15}\ \text{Hz}El trabajo de extracción del metal es W0=hf0=7,46⋅10−19 J=4,66 eVW_0 = hf_0 = 7{,}46\cdot 10^{-19}\ \text{J} = 4{,}66\ \text{eV}. La frecuencia umbral es algo menor que la de la luz usada, como debe ser para que haya emisión; corresponde a una longitud de onda umbral de 267 nm267\ \text{nm} (ultravioleta).
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Consejo

El potencial de frenado mide la energía cinética máxima de los electrones: Ec,max⁡=eVfE_{c,\max} = eV_f. Con la tensión en voltios y la carga en culombios sale directamente en julios.
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