Semana 11 jueves

Equipo	6.2 Cuantización de la energía y efecto fotoeléctrico.	6.3 Espectros de emisión y absorción de gases.
1	El efecto fotoeléctrico es un fenómeno muy popular en física, especialmente porque fue gracias al cual Einstein ganó el premio Nobel de física en 1921 (y no por la teoría de la relatividad, como muchos piensan.) Se trata de una de las formas en las que la luz interactúa con la materia; en particular, cuando incide un haz sobre un metal, algunos electrones son emitidos con diferentes energías. El fenómeno ya había sido observado en 1839 por Becquerel, pero no fue hasta fines del siglo XIX y los primeros años del XX que se comenzó a estudiar en profundidad. Un metal puede ser pensado como una serie de núcleos que tienen electrones a su alrededor. Los electrones que estén más lejos del núcleo se podrán mover prácticamente libremente; estos son los electrones que transmiten la corriente eléctrica, por ejemplo. Sin embargo a estos electrones les falta un poco de energía para poder salir del metal y esta energía puede ser provista por un rayo de luz. La peculiaridad de los experimentos que se realizaron a fines de 1800 es que no respondían a las predicciones teóricas y no había forma de salvar estas contradicciones; fue este simple experimento el que desató, años más tarde el Clásica Vs. Cuántica, con Einstein como uno de sus propulsores. La luz puede ser pensada como una onda que se propaga, al igual que el movimiento de la superficie del agua luego de arrojar una piedra sobre ella. Este movimiento tendrá dos características fundamentales: la amplitud y la frecuencia; es decir que tan alta es la onda y que tan seguido se producen. En el caso de la luz, la amplitud determina lo que se llama Intensidad. Clásicamente lo que se pensaba era que las ondas podían entregar energía a los electrones del metal paulatinamente, hasta que alcanzaran el nivel suficiente para ser desprendidos de la superficie. Esto quiere decir que cuanto más intensa fuera la luz, los electrones arrancados deberían poseer más energía (deberían haber recibido más energía del rayo luminoso.) Sin embargo experimentalmente se observó que la energía de los electrones eyectados del metal era independiente de la intensidad de la luz que recibían, pero que variaba con la frecuencia.	Espectro de absorción: se presenta cuando un solido incandescente Se encuentra rodeado por un gas más frio, el espectro resultante muestra un fondo interrumpido por espacios oscuros denominados líneas de absorción, porque el gas ha absorbido de la luz aquellos colores que éste irradia por sí mismo. Suele ocurrir que unos cuerpo absorben sólo la radiación de unas determinadas longitudes de onda y no aceptan absorber otras de otras longitudes, por lo que cada cuerpo, cada elemento químico en la práctica, tiene su propio espectro de absorción, el cual se corresponde con su espectro de emisión, al igual como si fuera el negativo con el positivo de una película. En la naturaleza se da también que otros cuerpos absorben radiación de otros cuerpos dejando rayas negras. Espectro de emisión: mediante suministro de energía calorífica, se estimula un determinado elemento en su fase gaseosa, sus átomos emiten radiación en ciertas frecuencias del visible, que constituyen su espectro de emisión. Ninguno de estos se repite. Por ejemplo, algunos de ellos lo hacen en el infrarrojo y otros cuerpos no. Ello depende de la constitución específica de cada cuerpo, ya que cada uno de los elementos químicos tiene su propio espectro de emisión.
2	Espectro de la radiación del cuerpo negro, resuelto por Max Planck con la Cuantización de la energía. La energía total del cuerpo negro resultó que tomaba valores discretos más que continuos. Este fenómeno se llamó Cuantización, y los intervalos posibles más pequeños entre los valores discretos son llamados quanta (singular: quantum, de la palabra latina para "cantidad", de ahí el nombre de mecánica cuántica. Efecto fotoeléctrico La emisión de electrones por metales iluminados con luz de determinada frecuencia fue observada a finales del siglo XIX por Hertz y Hallwachs. El proceso por el cual se liberan electrones de un material por la acción de la radiación se denomina efecto fotoeléctrico o emisión fotoeléctrica	Espectro de absorción: se presenta cuando un solido incandescente se encuentra rodeado por un gas más frio, el espectro resultante muestra un fondo interrumpido por espacios oscuros denominados líneas de absorción, porque el gas ha absorbido de la luz aquellos colores que éste irradia por sí mismo. Espectro de emisión: mediante suministro de energía calorífica, se Estimula un determinado elemento en su fase gaseosa, sus átomos emiten radiación en ciertas frecuencias del visible, que constituyen su espectro de emisión. Ninguno de estos se repite
3	La experiencia que realizaron Franck y Hertz en 1914 es uno de los experimentos claves que ayudaron a establecer la teoría atómica moderna. Nos muestra que los átomos absorben energía en pequeñas porciones o cuantos de energía, confirmando los postulados de Bohr. La emisión de electrones por metales iluminados con luz de determinada frecuencia fue observada a finales del siglo XIX por Hertz y Hallwachs. El proceso por el cual se liberan electrones de un material por la acción de la radiación se denomina efecto fotoeléctrico o emisión fotoeléctrica. Sus características esenciales son: ·                     Para cada sustancia hay una frecuencia mínima o umbral de la radiación electromagnética por debajo de la cual no se producen fotoelectrones por más intensa que sea la radiación. ·                     La emisión electrónica aumenta cuando se incrementa la intensidad de la radiación que incide sobre la superficie del metal, ya que hay más energía disponible para liberar electrones. En los metales hay electrones que se mueven más o menos libremente a través de la red cristalina, estos electrones no escapan del metal a temperaturas normales por que no tienen energía suficiente. Calentando el metal es una manera de aumentar su energía. Los electrones "evaporados" se denominan termo electrones, este es el tipo de emisión que hay en las válvulas electrónicas. También se pueden liberar electrones (fotoelectrones) mediante la absorción por el metal de la energía de radiación electromagnética. El efecto fotoeléctrico, descubierto por Hertz en 1887, demuestra que la energía luminosa transportada por las radiaciones que inciden en el metal se transforma en energía mecánica. Parte de esa energía mecánica se emplea en arrancar los electrones de la superficie del metal y parte se transforma en energía cinética de los electrones que salen expulsados con una velocidad (v). La teoría ondulatoria de la luz no explica suficientemente el efecto fotoeléctrico ya que según esta teoría, la energía luminosa transportada por una radiación. Sin embargo, hemos dicho antes, que el umbral fotoeléctrico de pende de la frecuencia de la radiación excitatriz, y la mayor o menor iluminación del metal influye en el número de electrones impulsados, pero no en la velocidad que adquieren. De aquí que se buscara una explicación del fenómeno fotoeléctrico partiendo de la teoría de los quanta por el físico Alemán Marx Planck (1858 - 1947) en el año 1900. Según esta teoría la energía transportada por una radiación de frecuencia (f) es siempre un múltiplo entero del producto (h x f) donde (h) representa una constante universal que vale, en el S.I., h = 6,62 x 10 -34 Joules.s. El, producto (h x F) constituye el cuanto de energía, es decir, la menor cantidad de energía que se puede obtener en una radiación de frecuencia (f): es como un átomo o grado de energía. Esto llevo a Einstein a replantear nuevamente la teoría corpuscular de la luz debido a Newton, diciendo que la luz consta de pequeños cuantos o gramos de energía, a los que llamó fotones. Cada fotón de una radiación (luminosa) de frecuencia (f) transporta una energía. E = h x f Siendo: E: Energía del fotón h: Constante universal, llamada constante de Planck; su valor es 6,63x10 -34 joule.s f: Frecuencia de la radiación. Observamos que según ésta ecuación: ·         La energía radiante, tal como la luz, se propaga en paquetes de energía, cuyos tamaños son proporcionales a la frecuencia de la radiación. ·         La energía ha de ser absorbida o emitida por cuantos completos, no siendo admisibles fracciones del cuanto. En definitiva la energía, igual que la materia, presenta una estructura discontinua. A partir de la teoría de Planck, todas las energías están permitidas, sino sólo aquellas que sean múltiples de (h). La hipótesis de Planck ha sido confirmada y es una de las más fructíferas de toda la Física; la cual fue presentada en un Congreso de Berlín. Esta hipótesis, se basó en las radiaciones emitidas por cualquier fotón luminoso, indicando que no son un flujo continuo de ondas luminosas, sino una corriente de fotones individuales. El Fotón lo podemos definir así: Un fotón es la unidad de radiación electromagnética con una longitud de onda y una frecuencia determinada, que posee una cierta cantidad de energía llamada “cuanto de energía”.	Cuando un elemento irradia energía no lo hace en todas las longitudes de onda. Solamente en aquellas de las que está “provisto”. Esas longitudes de onda sirven para caracterizar, por tanto, a cada elemento. También ocurre que cuando un elemento recibe energía no absorbe todas las longitudes de onda, sino solo aquellas de las que es capaz de “proveerse”. Coinciden por tanto, las bandas del espectro en las que emite radiación con los huecos o líneas negras del espectro de absorción de la radiación, como si un espectro fuera el negativo del otro. Los espectros de emisión: Todos los cuerpos emiten energía a ciertas temperaturas. El espectro de la radiación energética emitida es su espectro de emisión. Todos los cuerpos no tienen el mismo espectro de emisión. Esto es, hay cuerpos que emiten en el infrarrojo, por ejemplo, y otros cuerpos no. En realidad, cada uno de los elementos químicos tiene su propio espectro de emisión. Y esto sirve para identificarlo y conocer de su existencia en objetos lejanos, inaccesibles para nosotros, como son las estrellas. Así, el sodio tiene su característico espectro de emisión, lo mismo que el calcio, o que el hidrógeno, etc. Un gas caliente y transparente emite líneas espectrales de colores brillantes contra un fondo de líneas oscuro. Esas líneas oscuras, en el espectro de un gas en particular, se dan exactamente en las mismas longitudes de onda que las líneas oscuras en el espectro de absorción de un gas que tenga la misma composición química. Los espectros de absorción: Y también los cuerpos absorben radiación emitida desde otros cuerpos, eliminando del espectro de radiación que reciben aquellas bandas absorbidas, que quedan de color negro. Son lo que se llaman “rayas negras” o simplemente “rayas” del espectro. También ocurre con la absorción, que unos cuerpos Un liviano, transparente y caliente gas en frente de una fuente productora de radiaciones espectrales, especialmente de características continuas, genera un espectro de absorción, el cual se distingue por una serie de líneas espectrales oscuras entre los colores brillantes del espectro continuo. En el gráfico de la figura se grafica la intensidad lumínica versus la longitud de onda (visuales) contrastada con las líneas espectrales sustraídas del resto de la luz.
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5	El efecto fotoeléctrico es un fenómeno muy popular en física, Se trata de una de las formas en las que la luz interactúa con la materia; en particular, cuando incide un haz sobre un metal, algunos electrones son emitidos con diferentes energías. El fenómeno ya había sido observado en 1839 por Becquerel, pero no fue hasta fines del siglo XIX y los primeros años del XX que se comenzó a estudiar en profundidad. Un metal puede ser pensado como una serie de núcleos que tienen electrones a su alrededor. Los electrones que estén más lejos del núcleo se podrán mover prácticamente libremente; estos son los electrones que transmiten la corriente eléctrica, por ejemplo. Sin embargo a estos electrones les falta un poco de energía para poder salir del metal y esta energía puede ser provista por un rayo de luz	Resultado de la separación de los componentes de distinta longitud de onda de la luz o de otra radiación electromagnética. Los espectros pueden ser de emisión o de absorción y cada uno de ellos a su vez puede ser continuo y discontinuo (de rayos o bandas). Los espectros de emisión se obtienen a partir de la radiación emitida directamente sobre el cuerpo. Los espectros de emisión continuos se obtienen al pasar la luz de un cuerpo incandescente a través de un prisma óptico (luz solar, bombilla de filamento). Los espectros de emisión discontinuos los producen gases o vapores a elevada temperatura. Los rayos proceden de emisiones de átomos excitados, mientras que los de la banda proceden de las moléculas excitadas.  Los espectros de absorción se forman cuando una radiación luminosa compuesta pasa a través de un cuerpo y este la absorbe total o parcialmente. Cuando la absorción es total, se obtiene un espectro continuo porque faltan todas las radiaciones absorbidas entre dos frecuencias distintas.
6	La emisión de electrones por metales iluminados con luz de determinada frecuencia fue observada a finales del siglo XIX por Hertz y Hallwachs. El proceso por el cual se liberan electrones de un material por la acción de la radiación se denomina efecto fotoeléctrico o emisión fotoeléctrica. Sus características esenciales son: Para cada sustancia hay una frecuencia mínima o umbral de la radiación electromagnética por debajo de la cual no se producen fotoelectrones por más intensa que sea la radiación. La emisión electrónica aumenta cuando se incrementa la intensidad de la radiación que incide sobre la superficie del metal, ya que hay más energía disponible para liberar electrones. En los metales hay electrones que se mueven más o menos libremente a través de la red cristalina, estos electrones no escapan del metal a temperaturas normales por que no tienen energía suficiente. Calentando el metal es una manera de aumentar su energía. Los electrones "evaporados" se denominan termo electrones, este es el tipo de emisión que hay en las válvulas electrónicas. Vamos a ver que también se pueden liberar electrones (fotoelectrones) mediante la absorción por el metal de la energía de radiación electromagnética. La experiencia que realizaron Franck y Hertz en 1914 es uno de los experimentos claves que ayudaron a establecer la teoría atómica moderna. Nos muestra que los átomos absorben energía en pequeñas porciones o cuantos de energía, confirmando los postulados de Bohr. Mediante una simulación se tratará de explicar las características esenciales de este sencillo experimento, observando el movimiento de los electrones y sus choques con los átomos de mercurio, e investigando el comportamiento de la corriente Ic con la diferencia de potencial U que se establece entre el cátodo y la rejilla.	Cada átomo es capaz de emitir o absorber radiación electromagnética, aunque solamente en algunas frecuencias que son características propias de cada uno de los diferentes elementos químicos. Si, mediante suministro de energía calorífica, se estimula un determinado elemento en su fase gaseosa, sus átomos emiten radiación en ciertas frecuencias del visible, que constituyen su espectro de emisión. Si el mismo elemento, también en estado de gas, recibe radiación electromagnética, absorbe en ciertas frecuencias del visible, precisamente las mismas en las que emite cuando se estimula mediante calor. Este será su espectro de absorción.

Espectros de emisión y de absorción

Material: Asa con alambre de platino., lámpara de alcohol, vaso de precipitados de 100 ml. espectroscopio

Sustancias: Cloruros de: Bario, calcio, estroncio, sodio .Acido clorhídrico.

Procedimiento:

Humedecer el asa del alambre de platino y Colocar una muestra de cada sustancias en el extremo del alambre de platino,

Colocar a la flama de la lámpara de alcohol la sustancia y observar la coloración de la flama, observar la flama con el espectroscopio y anotar sus observaciones en el cuadro.

sustancia	Numero de electrones	Color a la flama	Colores del espectro.
Cloruro de bario	2	Verde amarillento
Cloruro de calcio	2	Naranja
Cloruro de estroncio	1	Rojo
Cloruro de sodio	1	Rojo
Cloruro de cobre	2	Azul

Conclusiones: Los gases al ser irradiados producen un espectro cloruros como el de calcio y sodio producen emisiones por lo que su espectro es muy característico en cada caso mientras que los otros tres producen espectros de absorción y su espectro tiene rayas negras  en donde faltan las bandas absorbidas.