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Efecto fotoeléctrico
Problema
2016 · Extraordinaria · Reserva
4B-a
Examen

El trabajo de extracción del cátodo metálico en una célula fotoeléctrica es 1,32 eV1,32 \text{ eV}. Sobre él incide radiación de longitud de onda λ=300 nm\lambda = 300 \text{ nm}.

a) Defina y calcule la frecuencia umbral para esta célula fotoeléctrica. Determine la velocidad máxima con la que son emitidos los electrones.

Datos: h=6,61034 Js;c=3108 m/s;e=1,61019 C;me=9,11031 kgh = 6,6 \cdot 10^{-34} \text{ J} \cdot \text{s} ; c = 3 \cdot 10^8 \text{ m/s} ; e = 1,6 \cdot 10^{-19} \text{ C} ; m_e = 9,1 \cdot 10^{-31} \text{ kg}

Trabajo de extracciónFrecuencia umbralVelocidad máxima
Efecto fotoeléctrico

Datos del problema:Trabajo de extracción: W0=1,32 eV=1,32×1,61019 J=2,1121019 JW_0 = 1{,}32 \text{ eV} = 1{,}32 \times 1{,}6 \cdot 10^{-19} \text{ J} = 2{,}112 \cdot 10^{-19} \text{ J} Longitud de onda incidente: λ=300 nm=3107 m\lambda = 300 \text{ nm} = 3 \cdot 10^{-7} \text{ m}

a) Frecuencia umbral y velocidad máxima de los electrones emitidos
Frecuencia umbral

La frecuencia umbral ν0\nu_0 (o frecuencia mínima) es la frecuencia mínima que debe tener la radiación incidente para que se produzca el efecto fotoeléctrico, es decir, para que los fotones tengan exactamente la energía necesaria para arrancar un electrón del metal sin que este adquiera energía cinética. Se define como:

W0=hν0    ν0=W0hW_0 = h \cdot \nu_0 \implies \nu_0 = \frac{W_0}{h}

Sustituyendo los valores:

ν0=2,1121019 J6,61034 Js=3,21014 Hz\nu_0 = \frac{2{,}112 \cdot 10^{-19} \text{ J}}{6{,}6 \cdot 10^{-34} \text{ J} \cdot \text{s}} = 3{,}2 \cdot 10^{14} \text{ Hz}
Velocidad máxima de los electrones emitidos

Primero calculamos la frecuencia de la radiación incidente:

ν=cλ=3108 m/s3107 m=11015 Hz\nu = \frac{c}{\lambda} = \frac{3 \cdot 10^{8} \text{ m/s}}{3 \cdot 10^{-7} \text{ m}} = 1 \cdot 10^{15} \text{ Hz}

Como ν=1015 Hz>ν0=3,21014 Hz\nu = 10^{15} \text{ Hz} > \nu_0 = 3{,}2 \cdot 10^{14} \text{ Hz}, la radiación produce efecto fotoeléctrico. Aplicando la ecuación de Einstein del efecto fotoeléctrico:

hν=W0+Ecmax=W0+12mevmax2h \cdot \nu = W_0 + E_{c_{\max}} = W_0 + \frac{1}{2} m_e v_{\max}^2

Despejando la velocidad máxima:

vmax=2(hνW0)mev_{\max} = \sqrt{\frac{2(h \cdot \nu - W_0)}{m_e}}

Calculamos la energía del fotón incidente:

hν=6,61034×1015=6,61019 Jh \cdot \nu = 6{,}6 \cdot 10^{-34} \times 10^{15} = 6{,}6 \cdot 10^{-19} \text{ J}

Calculamos la energía cinética máxima:

Ecmax=hνW0=6,610192,1121019=4,4881019 JE_{c_{\max}} = h \cdot \nu - W_0 = 6{,}6 \cdot 10^{-19} - 2{,}112 \cdot 10^{-19} = 4{,}488 \cdot 10^{-19} \text{ J}

Finalmente, obtenemos la velocidad máxima:

vmax=2×4,48810199,11031=8,97610199,11031=9,86410119,93105 m/sv_{\max} = \sqrt{\frac{2 \times 4{,}488 \cdot 10^{-19}}{9{,}1 \cdot 10^{-31}}} = \sqrt{\frac{8{,}976 \cdot 10^{-19}}{9{,}1 \cdot 10^{-31}}} = \sqrt{9{,}864 \cdot 10^{11}} \approx 9{,}93 \cdot 10^{5} \text{ m/s}

La velocidad máxima con la que son emitidos los electrones es vmax9,93105 m/sv_{\max} \approx 9{,}93 \cdot 10^{5} \text{ m/s}.