FísicaMedio1 pts

Efecto fotoeléctrico y cuantización

Castilla y León · 2022 · Junio
Enunciado
Un haz de luz de 650 nm650\ \text{nm} de longitud de onda incide sobre un metal cuyo trabajo de extracción es 1,20 eV1{,}20\ \text{eV}. Calcule la velocidad máxima de los electrones emitidos por efecto fotoeléctrico y su longitud de onda de de Broglie.

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}; me=9,11⋅10−31 kgm_e = 9{,}11\cdot 10^{-31}\ \text{kg}; 1 eV=1,60⋅10−19 J1\ \text{eV} = 1{,}60\cdot 10^{-19}\ \text{J}.
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Resultado
  vmax⁡=5,00⋅105 m/sλdB=1,45⋅10−9 m  \boxed{\;v_{\max} = 5{,}00\cdot 10^{5}\ \text{m/s}\qquad \lambda_{dB} = 1{,}45\cdot 10^{-9}\ \text{m}\;}
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Estrategia

Por la ecuación de Einstein del efecto fotoeléctrico, la energía del fotón se reparte entre el trabajo de extracción y la energía cinética máxima del electrón: hf=W0+Ec,max⁡hf = W_0 + E_{c,\max}. De la energía cinética sale la velocidad máxima, y con ella el momento lineal y la longitud de onda de De Broglie, λ=h/(mv)\lambda = h/(m v).
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Desarrollo

Energía de cada fotón:Ef=h c0λ=6,63⋅10−34⋅3,00⋅108650⋅10−9=3,06⋅10−19 J  (1,91 eV)E_f = \frac{h\,c_0}{\lambda} = \frac{6{,}63\cdot 10^{-34}\cdot 3{,}00\cdot 10^{8}}{650\cdot 10^{-9}} = 3{,}06\cdot 10^{-19}\ \text{J}\ \ (1{,}91\ \text{eV})Trabajo de extracción en julios:W0=1,20⋅1,60⋅10−19=1,92⋅10−19 JW_0 = 1{,}20\cdot 1{,}60\cdot 10^{-19} = 1{,}92\cdot 10^{-19}\ \text{J}Como Ef>W0E_f > W_0, hay emisión. Energía cinética máxima de los electrones:Ec,max⁡=Ef−W0=3,06⋅10−19−1,92⋅10−19=1,14⋅10−19 J  (0,713 eV)E_{c,\max} = E_f - W_0 = 3{,}06\cdot 10^{-19} - 1{,}92\cdot 10^{-19} = 1{,}14\cdot 10^{-19}\ \text{J}\ \ (0{,}713\ \text{eV})Velocidad máxima:vmax⁡=2Ec,max⁡me=2⋅1,14⋅10−199,11⋅10−31=5,00⋅105 m/sv_{\max} = \sqrt{\frac{2E_{c,\max}}{m_e}} = \sqrt{\frac{2\cdot 1{,}14\cdot 10^{-19}}{9{,}11\cdot 10^{-31}}} = 5{,}00\cdot 10^{5}\ \text{m/s}Longitud de onda de De Broglie de esos electrones:λdB=hme vmax⁡=6,63⋅10−349,11⋅10−31⋅5,00⋅105=1,45⋅10−9 m\lambda_{dB} = \frac{h}{m_e\,v_{\max}} = \frac{6{,}63\cdot 10^{-34}}{9{,}11\cdot 10^{-31}\cdot 5{,}00\cdot 10^{5}} = 1{,}45\cdot 10^{-9}\ \text{m}Es del orden del nanómetro, comparable a las distancias entre átomos de un cristal: estos electrones podrían difractarse. Los electrones que salen con menos energía cinética tienen una longitud de onda mayor.
Simulación interactivaVisualiza este problema en una simulación (se abre en una nueva pestaña)
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Consejo

Pon todas las energías en julios antes de despejar la velocidad: si mezclas electronvoltios y julios en Ec=12mv2E_c = \tfrac{1}{2}mv^2, el resultado sale mal por un factor enorme.

La longitud de onda de De Broglie es la del electrón, h/(mv)h/(m v), no la de la luz incidente.
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