Secundaria duda con el efecto fotoeléctrico

[sater]

Buenas! está mañana he estado mirando el efecto fotoeléctrico en mi libro de física de secundaria y me ha surgido una duda. En base a la explicación de Einstein se demuestra por fin que un aumento de la intensidad solo supone un incremento del número de fotones, siendo así mayor el número de electrones arrancados, pero no comenta nada sobre alguna posible restricción. Entonces mi duda es que conforme sean arrancados los electrones (y vale que en los metales al ser arrancados la estabilidad es mayor) pero si seguimos arrancando debe llegar un momento en el que el núcleo impida que se sigan arrancando, siendo necesario incrementar mucho mas la intensidad para seguir arrancando. ¿Estoy en lo cierto?
un saludo y gracias!

[Physicist]

Re: duda con el efecto fotoeléctrico

Muy buenas!
Si que hay algunas restricciones, cuando arrancas los electrones suelen ser los de la capa exterior, que necesitan menos energía para escaparse. Pero cuanto más te acerques al núcleo más te costará arrancar los electrones ya que son atraídos con más fuerza. Como bien dices, aumentando la intensidad solo aumentas la cantidad de fotones que emites, no su energía, así que llegará un momento que no serás capaz de arrancar más.
De todas formas, los electrones que se arrancan se suelen usar en un circuito y en algún momento tienen que volver, es un flujo continuo en el que (más o menos) electrón que quitas-electrón que recuperas.

Un saludo!

[arivasm]

Re: duda con el efecto fotoeléctrico

En primer lugar, como bien ha dicho Physicist, los electrones arrancados regresan al metal, bien sea porque se aplica un potencial de frenado, bien sea porque regresan a través de un circuito captador o, en un caso ideal que no haya nada de eso aplicado, por el propio potencial de frenado que se va originando en la lámina metálica.

En segundo lugar, el número de átomos presentes en la superficie del metal es muy grande y, salvo que se empleen fuentes luminosas de muy alta intensidad, el ritmo de llegada de fotones no es tan exagerado como para que no haya átomo suficientes. Podemos hacer algunas cuentas: supongamos que irradiamos una lámina de silicio de 10 cm de lado con una fuente de 40 W, de los cuales supondremos por ejemplo que el 10% corresponde a fotones de longitud de onda menor de 300 nm. Es más, por fijar una cifra, pongamos un valor típico para éstos de 200 nm, que equivale a una energía de $\notcien{1}{-18}\,\rm J$ por fotón, con lo que los 4 W se corresponden con un ritmo de unos $\notcien{4}{18}$ fotones/s (capaces de causar efecto fotoeléctrico).

La longitud de onda anterior tiene en cuenta la función de trabajo del silicio, de 4,2 eV, pues implica una frecuencia umbral de $\notcien{1,0}{15}\,\rm Hz$ y entonces una longitud de onda de corte de 300 nm.

Como la densidad del silicio es de 2,34 g/cm³ y su masa molar 28,1 g/mol, hay $\notcien{5,0}{22}$ átomos/cm³, de manera que en un cubo de 1 cm de lado, en cada superficie hay unos $\notcien{1,4}{15}$ átomos. Como la nuestra es de 100 cm², tenemos $\notcien{1,4}{17}$ átomos, a los que cada segundo llegarán los $\notcien{4}{18}$ fotones capaces de causarles efecto fotoeléctrico. Eso significa que por término medio los átomos participan en un proceso de extracción en un tiempo de unos 30 ms.

Aunque este tiempo parece pequeño es enorme en la escala de tiempos de un electrón. Pensemos que en ese tiempo una señal electromagnética recorre nada menos que 10 000 km!!!, y una de tales señales será el "aviso" de "hay un hueco!" (que hará que otro electrón entre en la lámina como consecuencia de la corriente producida por la célula fotoeléctrica).

Por último, comentar que para que un fotón pueda arrancarle un segundo electrón a un átomo tiene que ser bastante más energético que el primero. Es decir, la frecuencia umbral de esa segunda ionización suele ser mucho mayor (y en algunos casos muchíiiiiiisimo mayor) que la de la primera. Dicho de otra manera, en el efecto fotoeléctrico que se produce en las condiciones habituales, una vez que un átomo ha perdido un electrón sólo puede hacer una cosa: recuperarlo (en realidad, recuperar otro), pero no serle arrancado otro segundo electrón.

[sater]

Re: duda con el efecto fotoeléctrico

muchísimas gracias a ambos! pues de todo eso mi libro ni mención revisaré mas bibliografía, gracias de nuevo!

[aalbeiro89]

Re: duda con el efecto fotoeléctrico

Excelente...