EXPERIENCIA 3

EFECTO COMPTON

Carlos de Jesús Ríos Morales T00058346

Laboratorios de Física III

Grupo 2037

Yaleidis Paola Hernandez Diaz

Cartagena de Indias D. T. y C.

08/09/2020
 INTRODUCCIÓN
A finales del siglo XIX, Hertz descubrió que la descarga eléctrica entre dos electrodos
resultaba más fácil cuando incide una luz ultravioleta (UV) sobre uno de ellos (cátodo).
Leonard, posteriormente, demostró que este fenómeno se debía a que la luz UV ocasiona la
emisión de electrones de la superficie del cátodo. Desde entonces, se denomina fenómeno
fotoeléctrico a la emisión de electrones por la acción de la luz sobre sobre una superficie
metálica, denominándose fotoelectrones a estos electrones emitidos.
Este fenómeno no pudo ser explicado mediante los conocimientos clásicos de la Física de
entonces. Y no fue hasta 1905 que Einstein, aplicando las ideas cuánticas de Planck, pudo
establecer un modelo explicativo adecuado, razón por la que le fue concedido el premio Nobel
en 1921.
El modelo de Einstein resucita la teoría corpuscular de la luz, estableciendo la hipótesis de que
la radiación electromagnética está formada por un chorro de partículas denominadas fotones,
cada una de las cuales tiene una energía dada por la expresión h*f, siendo f la frecuencia de la
radiación y h la constante de Planck. Así, un fotón le cede completamente su energía a un
único electrón de la placa metálica sobre la que incide. Parte de esta energía se emplea en
extraer al electrón del metal. Cuando esta energía es la mínima posible se le denomina función
trabajo W0, que es la energía necesaria para arrancar los electrones más fácilmente extraíbles
del metal. Por tanto, para que se produzca el efecto fotoeléctrico, la energía h*f del fotón debe
ser al menos igual a la función trabajo característica del metal. Y, si la energía del fotón es
mayor que la función trabajo, el exceso de energía se emplea en comunicar energía
cinética Ec al fotoelectrón.
Así pues, la ecuación de Einstein del efecto fotoeléctrico es:

siendo f la frecuencia de la radiación incidente, que está relacionada con la longitud de

onda (λ) a través de la velocidad de la luz (c):

Objetivos
 Comprobar experimentalmente la ecuación de Einstein para el efecto fotoeléctrico.
 Determinar el valor de la constante de Planck (h) a partir del efecto fotoeléctrico
 Determinar la frecuencia mínima o umbral de la radiación electromagnética por debajo
de la cual no se producen fotoelectrones por más intensa que sea la radiación.
 PREPARACIÓN DE LA PRÁCTICA
EQUIPOS
1 celda fotoeléctrica para determinar h
1 montura para celda fotoeléctrica
1 lámpara de mercurio de alta presión
1 portalámparas con ficha múltiple
1 bobina de reactancia universal 230 V, 50 Hz
1 lente f = + 100 mm y 1 diafragma de iris
5 filtros de interferencia
1 electrómetro amplificador
1 fuente de alimentación 230 V/12V~/20 W
1 capacitor STE 100 nF, 630 V, 1 pulsador STE (interruptor), de un punto
1 voltímetro de CC
1 banco óptico, perfil normal 1m
2 jinetillos ópticos, H = 90 mm/B = 50 mm
3 jinetillos ópticos, H = 120 mm/B = 50 mm
2 enchufes de bornes, 1 casquillo BNC, 1 adaptador BNC/4 mm, 1 polo,1 ficha de acople y
1 enchufe múltiple cuadrado

MARCO TEÓRICO

PRINCIPIO
Si se irradia luz de una adecuada longitud de onda pueden extraerse electrones de la superficie
de determinados metales (efecto fotoeléctrico). Su energía dependerá solamente de la
frecuencia ν de la luz incidente pero no de su intensidad; ésta sólo determina la cantidad de
electrones extraídos. Este fenómeno contradice la física clásica y fue interpretado por primera
vez en 1905 por Albert Einstein. Él supuso que la luz consiste en un haz de partículas, los
llamados fotones, cuya energía E es proporcional a la frecuencia:
𝐸 = ℎ𝜈 (1)
El factor de proporcionalidad h recibe el nombre de constante de Planck. Según esta
interpretación corpuscular de la luz, cada fotoelectrón es arrancado por un fotón y abandona
el átomo con la energía cinética K:
𝐾 = ℎ𝜈 − 𝑊 (2)
Donde W representa el trabajo necesario para extraer los electrones del metal, este valor es
distinto para cada metal.

Figura 1. Montaje esquemático de un experimento para medir la constante de Planck h

mediante el efecto fotoeléctrico.
Para determinar la constante de Planck h se hace incidir luz monocromática (de una
determinada longitud de onda) sobre una celda fotoeléctrica y se mide la energía cinética
Kmax de los electrones salientes menos ligados en el metal.

La figura 1 muestra el montaje esquemático de este experimento. La luz monocromática

(seleccionada por un filtro de longitud de onda 𝜆) incide sobre el cátodo K de una celda
fotoeléctrica. Los electrones arrancados llegan al ánodo A y cargan el capacitor C hasta una
tensión límite V0.

La luz pasa a través de un ánodo con forma de anillo (aquí un alambre de platino) e incide
sobre una capa de potasio. El potasio es un buen material para hacer cátodos debido al
reducido trabajo necesario para extraer electrones: los electrones de valencia se encuentran
muy débilmente ligados en los metales alcalinos.
Algunos de los fotoelectrones llegan al ánodo y forman allí la denominada fotocorriente I. Si
se hace retardar el movimiento de los electrones mediante una tensión negativa que se
incrementa continuamente, la fotocorriente decrecerá también de manera continua. La
tensión a la cual la fotocorriente se anula es denominada tensión límite V0. Llegado este
punto, ni aun los electrones de mayor energía cinética (los más débilmente ligados en la
fotocelda) podrán contrarrestar la tensión del ánodo. En este experimento, la tensión del
ánodo es producida por un capacitor que cargan los electrones incidentes hasta una tensión
límite V0. Teniendo el valor de la tensión límite V0 puede calcularse la energía cinética de
estos electrones débilmente ligados con
𝐾𝑚𝑎𝑥 = 𝑒V0 (3)

Para estos fotoelectrones la ecuación (2) de Einstein para el efecto fotoeléctrico queda:

𝑒V0 = ℎν – 𝑊0 (4)
Donde e es carga fundamental, W0 es la llamada función trabajo del material. Las mediciones
se realizan para diversas longitudes de onda 𝜆 = 𝑐/𝜐 (c es velocidad de la luz en el vacío).
Si se representa la tensión límite V0 en función de la frecuencia ν se obtiene según (4), una
recta de pendiente:
h
𝑚 = (5)
e
Conociendo la carga elemental e se obtiene de ahí la constante de Planck h.
Para la selección de la longitud de onda se utilizan en el experimento filtros de interferencia
de banda angosta, cada uno de los cuales selecciona con precisión una línea respectivamente
de la luz espectral de la lámpara de mercurio de alta presión. La indicación de longitud de
onda que viene en cada filtro corresponde a la longitud de onda de la línea de mercurio
transmitida

Figura 2. Montaje del experimento en el banco óptico con indicación de la posición en cm

para el costado izquierdo del jinetillo óptico. a: lámpara de mercurio de alta presión, b:
 diafragma de iris, c: lente, f = 100 mm, d: rueda porta filtros con filtros de interferencia, e:
celda fotoeléctrica.

PREGUNTAS DE PREPARATORIAS

1) ¿En qué consiste el efecto fotoeléctrico?

Los fotones incidentes son absorbidos por los electrones del medio dotándoles de energía
suficiente para escapar de éste. El efecto fotoeléctrico consiste en la emisión de electrones
por un material cuando se lo ilumina con radiación electromagnética (luz visible o ultravioleta,
en general).

2) ¿Por qué el efecto fotoeléctrico evidencia la naturaleza corpuscular de la

radiación electromagnética?

El hecho de la falta de demora entre la iluminación de la superficie y la aparición de los

electrones expulsados del metal encuentra su explicación en la naturaleza corpuscular de la
luz (fotones) en la cual la luz incidente como un haz de "bultitos" de energía tiene una
interacción individualizada fotón-electrón.
 3) Explique por qué la energía cinética de los fotoelectrones menos ligados se
puede calcular con la ecuación (3)
Porque, se incrementa con la frecuencia de la luz. La corriente eléctrica permanece constante
a medida que la frecuencia de la luz aumenta; y así La corriente eléctrica aumenta con la
amplitud de la luz.

4) Describa el procedimiento a utilizar para calcular un valor aproximado de la

constante de Planck.

hn o
La ordenada en el origen es " " y coincide con la energía de arranque en electrón-voltios
e
f h
. La pendiente de la recta es .Midiendo el ángulo de dicha pendiente y usando el valor
e e
de la carga del electrón e =1.6 10-19 C, obtenemos el valor de la constante de Planck,
 h=6.63 10-34 Js.
La constante de Planck es la relación entre la cantidad de energía y de frecuencia asociadas a
un cuanto o a una partícula elemental. Es una constante física que desempeña un papel central
en la teoría de la mecánica cuántica y recibe su nombre de su descubridor, Max Planck, uno
de los padres de dicha teoría.

MONTAJE
Montaje óptico:
Indicación: La lámpara de mercurio de alta presión alcanza su intensidad máxima luego de
10 minutos de calentamiento. Poner en funcionamiento esta lámpara directamente al
comenzar el montaje para poder empezar con las mediciones inmediatamente después de
haberlo finalizado.

La figura 2 muestra el montaje del experimento; la posición del borde izquierdo del jinetillo
óptico está dada aquí en cm.
 Conectar la bobina de reactancia universal a la red mediante el enchufe múltiple
cuadrado.
 Montar la lámpara de mercurio de alta presión mediante el jinetillo óptico (H = 90
mm) según la indicación de posición, conectar al enchufe múltiple y encender.
 Asegurar la celda fotoeléctrica con un jinetillo óptico (H = 90 mm) según la
indicación de posición, quitar su cubierta sellada y ubicarla de forma que su
superficie negra con recubrimiento mire a la lámpara de mercurio.
 Montar en el banco óptico el diafragma de iris con un jinetillo óptico (H = 120 mm)
según indicación de la posición.
 Montar la lente con un jinetillo óptico (H = 120 mm) según indicación de la
posición; ajustar la altura de forma que el punto medio de la lente quede a la misma
altura que el punto medio del diafragma de iris.
Ahora, la luz de la lámpara de mercurio debe verse nítidamente sobre la parte ennegrecida
(la zona sensible) de la celda fotoeléctrica. Procurar aquí que la luz no incida ni sobre el
anillo de metal ni sobre la parte de la zona ennegrecida a la cual están unidos los contactos.
También debe evitarse iluminar los márgenes.
Para ello, proceder de la manera siguiente y repetir tantas veces como sea necesario hasta
lograr la optimización:
 Modificar la altura del diafragma de iris y de la lente de forma que la mancha de
luz caiga sobre la zona ennegrecida de la celda fotoeléctrica, manteniendo siempre
el punto medio de la lente a la misma altura que el del diafragma; variar
eventualmente también la altura de la celda fotoeléctrica y su inclinación (mediante
el tornillo debajo del zócalo).
 Ajustar el tamaño de la mancha luminosa con ayuda del diafragma de iris hasta
lograr que la mayor parte de la zona ennegrecida de la celda fotoeléctrica sea
iluminada, exceptuando los márgenes, el anillo metálico y los contactos en la capa
ennegrecida.

 Modificar eventualmente la nitidez de la mancha luminosa desplazando la lente

sobre el banco óptico.
Indicación: Una vez realizados estos ajustes, no modificarlos.
 Colocar la cubierta sellada en la celda fotoeléctrica.
 Ubicar la rueda de filtros con el diafragma de iris mediante el jinetillo óptico (H =
 120 mm) exactamente delante de la celda fotoeléctrica en el banco óptico. Unir el
diafragma de la rueda de filtros con la cubierta sellada de la celda fotoeléctrica para
evitar que entre luz dispersa en dicha celda.

Figura 3. Conexión del electrómetro amplificador para medir la tensión límite U0.

Montaje eléctrico:
Los electrones que aparecen en el anillo de metal de la celda fotoeléctrica cargan un
capacitor y crean así la tensión límite U0, necesaria para determinar la energía cinética.
Medir la tensión del capacitor con un electrómetro amplificador.

La conexión para el electrómetro amplificador se realiza según la figura 3:

 Conectar los enchufes de bornes (f) y acoplarle el capacitor de 100 pF y el pulsador.

 Colocar la ficha de acople (g), conectar el adaptador BNC/4 mm y el casquillo BNC
y unir con el cable gris apantallado de la celda fotoeléctrica.
 Conectar sendos cables negros (h) de la celda fotoeléctrica a la conexión de masa
del electrómetro amplificador.
 Conectar el multímetro a la salida del electrómetro
amplificador. Además:
 Conectar la fuente de alimentación (12 V) para alimentar el electrómetro
amplificador y conectar a la red mediante el enchufe múltiple.
 Interconectar el banco óptico (eventualmente también el mango de la montura para
la celda fotoeléctrica), la conexión de masa del electrómetro amplificador y la
conexión externa a tierra del enchufe múltiple.

Realización
Indicaciones:
Una capa del anillo del ánodo con potasio de la capa fotosensible del cátodo puede causar
una corriente de electrones que interfiera:
Calentar el anillo del ánodo según las instrucciones de uso de la celda fotoeléctrica.
Las impurezas de la celda fotoeléctrica pueden provocar corrientes de fuga entre el ánodo
y el cátodo, que pueden influir en la medición de la tensión límite U0.

Limpiar la celda fotoeléctrica con alcohol.

La tensión en el capacitor también puede recibir efectos del exterior:
Durante la medición realizar los mínimos movimientos posibles.
No es necesario oscurecer el ambiente; esto no influye en los resultados de la medición.
  Conectar el multímetro y seleccionar la escala de 1 V CC.
 Girar el filtro de interferencia para luz amarilla (λHg = 578 nm) e interponerlo en el
paso del haz.
 Descargar el capacitor; para ello, mantener presionado el pulsador hasta que el
multímetro marque 0 V.
 Liberar el pulsador y comenzar la medición; esperar entre 30 segundos y tres
minutos hasta que el capacitor se haya cargado hasta la tensión límite V0. Anotar el
valor de V0.
 Girar el filtro de interferencia para luz verde (λHg = 546 nm), interponerlo en el
paso del haz y repetir la medición.
 Subir la escala hasta 3 V y repetir las mediciones para los filtros de interferencia
azul (λHg = 436 nm) y violeta (λHg = 405 nm).
 Con el diafragma de iris de la rueda de filtros variar la intensidad de la luz que
incide en la celda fotoeléctrica y determinar en cada caso la tensión límite V0.
 Repita el experimento para otras intensidades del haz incidente en la celda
fotoeléctrica, para esto disminuya o aumente la apertura del diafragma.

Indicación: Si el diafragma de iris se cierra demasiado, se modifica la iluminación

regular de la mancha lumínica sobre el cátodo. Además, las corrientes de fuga
cumplen un papel cada vez más importante.

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