FísicaMedio1 pts

Efecto fotoeléctrico y cuantización

Castilla y León · 2024 · Julio
Enunciado
Determine la mínima longitud de onda de de Broglie de los fotoelectrones emitidos cuando luz de 450 nm450\ \text{nm} incide sobre un cátodo de sodio, cuyo trabajo de extracción es 2,28 eV2{,}28\ \text{eV}.

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
  Ec,maˊx=7,72⋅10−20 Jλmıˊn=1,77⋅10−9 m  \boxed{\;E_{c,\text{máx}} = 7{,}72\cdot 10^{-20}\ \text{J}\qquad \lambda_{\text{mín}} = 1{,}77\cdot 10^{-9}\ \text{m}\;}
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Estrategia

La longitud de onda de De Broglie, λ=h/p\lambda = h/p, es mínima para los electrones con más momento, es decir, con la energía cinética máxima. Esa energía la da la ecuación de Einstein del efecto fotoeléctrico, Ec,maˊx=hf−W0E_{c,\text{máx}} = hf - W_0. Con ella se calcula p=2meEcp = \sqrt{2 m_e E_c} (los electrones son lentos y no hace falta la relatividad).
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Desarrollo

Energía de cada fotón:E=h cλluz=6,63⋅10−34⋅3,00⋅108450⋅10−9=4,42⋅10−19 J  (2,76 eV)E = \frac{h\,c}{\lambda_{luz}} = \frac{6{,}63\cdot 10^{-34}\cdot 3{,}00\cdot 10^{8}}{450\cdot 10^{-9}} = 4{,}42\cdot 10^{-19}\ \text{J}\ \ (2{,}76\ \text{eV})Trabajo de extracción en julios: W0=2,28⋅1,60⋅10−19=3,65⋅10−19 JW_0 = 2{,}28\cdot 1{,}60\cdot 10^{-19} = 3{,}65\cdot 10^{-19}\ \text{J}. Como E>W0E > W_0, hay emisión.

Energía cinética máxima de los fotoelectrones:Ec,maˊx=E−W0=4,42⋅10−19−3,648⋅10−19=7,72⋅10−20 J  (0,483 eV)E_{c,\text{máx}} = E - W_0 = 4{,}42\cdot 10^{-19} - 3{,}648\cdot 10^{-19} = 7{,}72\cdot 10^{-20}\ \text{J}\ \ (0{,}483\ \text{eV})Momento máximo:pmaˊx=2 me Ec,maˊx=2⋅9,11⋅10−31⋅7,72⋅10−20=3,75⋅10−25 kg m/sp_{\text{máx}} = \sqrt{2\,m_e\,E_{c,\text{máx}}} = \sqrt{2\cdot 9{,}11\cdot 10^{-31}\cdot 7{,}72\cdot 10^{-20}} = 3{,}75\cdot 10^{-25}\ \text{kg}\,\text{m/s}Longitud de onda de De Broglie mínima:λmıˊn=hpmaˊx=6,63⋅10−343,750⋅10−25=1,77⋅10−9 m\lambda_{\text{mín}} = \frac{h}{p_{\text{máx}}} = \frac{6{,}63\cdot 10^{-34}}{3{,}750\cdot 10^{-25}} = 1{,}77\cdot 10^{-9}\ \text{m}Los electrones más lentos tienen una longitud de onda mayor; la mínima corresponde a los que salen con toda la energía sobrante del fotón.
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Consejo

«Mínima longitud de onda» significa «máxima energía cinética»: λ\lambda y pp son inversamente proporcionales. Y no uses λ=h/p\lambda = h/p con la longitud de onda de la luz incidente: son dos longitudes de onda distintas, la del fotón y la del electrón.
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