Efeito Foto-Elétrico

Documentos relacionados
Efeito Foto-Elétrico

Efeito Fotoelétrico. Física Experimental V. Profa Rosangela Itri. Prof Leandro R S Barbosa

Efeito Fotoelétrico. Física Experimental C. Maria Fernanda Tiago Fernandes Janeiro 2017

Física Experimental V. Aula 1

Efeito Fotoelétrico. Física Experimental C. Tiago Fernandes Maria Fernanda Rezende Janeiro 2018

Física Moderna I Aula 04. Marcelo G Munhoz Edifício HEPIC, sala 202, ramal

Física Experimental C. Efeito fotoelétrico

Parte 2. Licenciatura em Química Física III

Introdução: A teoria de Einstein para o efeito fotoelétrico

Laboratório de Física Moderna Efeito Fotoelétrico Aula 02

EFEITO FOTOELÉTRICO. Propriedade corpuscular da radiação eletromagnética Reforço à teoria quântica de Planck (quanta de energia)

EFEITO FOTOELÉTRICO. Propriedade corpuscular da radiação eletromagnética Reforço à teoria quântica de Planck (quanta de energia)

Efeito Fotoelétrico. Elétron ejetado. luz. Originalmente observado por Hertz em 1887

1 - EFEITO FOTOELÉTRICO

Laboratório de Física Moderna Efeito Fotoelétrico Aula 03. Marcelo Gameiro Munhoz

Uma breve história do mundo dos quanta. Érica Polycarpo Equipe de Física Coordenação: Prof. Marta Barroso

Instituto de Física USP. Física V - Aula 11. Professora: Mazé Bechara

Efeito Fotoelétrico. André de Freitas Smaira Thereza Cury Fortunato. 27 de setembro de 2012

Introd. Física Médica

Seleção de comprimento de onda com filtros de interferência

2. Propriedades Corpusculares das Ondas

Instituto de Física USP. Física Moderna I. Aula 08. Professora: Mazé Bechara

ONDAS ELETROMAGNÉTICAS ÁTOMO DE BOHR. QFL-4010 Prof. Gianluca C. Azzellini

Efeito Fotoelétrico. AULA 3 META: Determinar a constante de Planck e da função trabalho do material que compõe uma célula fotoelétrica.

Radiação do Corpo Negro

UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO. Efeito Fotoelétrico

UFJF PISM º DIA (FÍSICA)

Introdução à Química Moderna

EFEITO FOTOELÉTRICO (RELATÓRIO / EXPERIMENTO - 3)

Prof. Dr. Lucas Barboza Sarno da Silva

Termodinâmica e Estrutura da Matéria

EFEITO FOTOELÉCTRICO

4º bimestre - Volume 3, Capítulo 19

Laboratório de Física Moderna Efeito Fotoelétrico Aula 01. Marcelo Gameiro Munhoz

UNIVERSIDADE FEDERAL DE UBERLÂNDIA FACULDADE DE CIÊNCIAS INTEGRADAS DO PONTAL

FÍSICA IV PROF. PIERRE VILAR DANTAS AULA 10-28/10/2017 TURMA: A HORÁRIO: 7M PIERREDANTASBLOG.WORDPRESS.COM

Cap. 38 Fótons e ondas de matéria

QUÍMICA I. Teoria atômica Capítulo 6. Aula 2

ATIVIDADE DE FÍSICA MODERNA LER E RESUMIR RESPONDER LISTA

Franck & Hertz. André de Freitas Smaira Thereza Cury Fortunato

EFEITO FOTO-ELÉCTRICO DETERMINAÇÃO DA CONSTANTE DE PLANCK

O Efeito Fotoelétrico

Instituto de Física USP. Física V - Aula 08. Professora: Mazé Bechara

Quantização da Carga, Luz e Energia

Vitor Oguri Departamento de Física Nuclear e Altas Energias Instituto de Física Armando Dias Tavares Universidade do Estado do Rio de Janeiro (UERJ)

Determinação da constante de Planck: o efeito fotoeléctrico

Universidade Federal do Rio de Janeiro Instituto de Física Disciplina: Física IV-A Data: 03/07/2019. (c) I 1 = I 2.

A Antiga Mecânica Quântica

Aula 21 Fótons e ondas de matéria I. Física Geral IV FIS503

FNC375N: Lista 3. Caráter corpuscular da radiação. 13 de outubro de 2004

Instituto de Física USP. Física Moderna I. Aula 07. Professora: Mazé Bechara

Prof. Henrique Barbosa Edifício Basílio Jafet - Sala 100 Tel

Aula 2 Evidências experimentais da teoria quântica: efeito fotoelétrico e efeito Compton

AULA METAS: Introduzir o conceito de fóton no contexto. usar a teoria de Einstein para o efeito fotoelétrico

Dualidade onda-partícula

FÍSICA MODERNA I AULA 06

Estrutura da Matéria BIK Prof. Fernando Carlos Giacomelli (Turma A)

Max Planck Pai da Física Quantica

Vitor Oguri Departamento de Física Nuclear e Altas Energias Instituto de Física Armando Dias Tavares Universidade do Estado do Rio de Janeiro (UERJ)

Física Moderna I Aula 05. Marcelo G Munhoz Edifício HEPIC, sala 212, ramal

Instituto de Física USP. Física Moderna I. Aula 10. Professora: Mazé Bechara

Apostila de Laboratório. ZAB0474 Física Geral e Experimental IV

Prof. Dr. Lucas Barboza Sarno da Silva

Física Moderna. A quantização da energia. Dualidade onda-partícula. O efeito fotoelétrico.

UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO Escola de Engenharia de Lorena EEL

Apostila de Laboratório. ZAB0474 Física Geral e Experimental IV

Avaliação Teórica I Seleção Final 2018 Olimpíadas Internacionais de Física 14 de Março de 2018

INTRODUÇÃO À ASTROFÍSICA LIÇÃO 9 O PROBLEMA DO CORPO NEGRO

Física D Extensivo V. 8

Laboratório de Física Moderna Radiação de Corpo Negro. Marcelo Gameiro Munhoz

Estudo da excitação e ionização atômicas (experimento de Franck-Hertz)

ÓPTICA GEOMÉTRICA PAULO SÉRGIO

defi departamento de física

Radiação Eletromagnética como Partícula

UNIVERSIDADE FEDERAL DA BAHIA Julho 2002 INSTITUTO DE FÍSICA DEPARTAMENTO DE FÍSICA DO ESTADO SÓLIDO. Estrutura da Matéria I

INTERPRETAÇÃO DO EXPERIMENTO DE FRANCK E HERTZ EM CONTRAPOSIÇÃO À INTERPRETAÇÃO DE NEILS BOHR E ALBERT EINSTEIN

Estratégia de ensino-aprendizagem usando o JEF.

EVFITA. Óptica Quântica. Nicolau A.S. Rodrigues Instituto de Estudos Avançados IEAv

ENRICO BERTUZZO (DFMA-IFUSP) UMA INTRODUÇÃO À FÍSICA DE PARTÍCULAS

O efeito fotoeléctrico

QUESTÕES DE FÍSICA MODERNA

Espectro Eletromagnético. Professor Leonardo

Aula 12 - Capítulo 38 Fótons e Ondas de Matéria

ELÉTRONS EM ÁTOMOS. Depois do modelo de Rutherford: Como é o comportamento dos elétrons nos átomos? Rutherford: estrutura planetária, com o

Instituto de Física USP. Física V - Aula 18. Professora: Mazé Bechara

A radiação do corpo negro

Mundo microscópico. Mecânica Quântica. Unidade 1 Introdução. à Teoria Quântica*

Física IV Poli Engenharia Elétrica: 12ª Aula (25/09/2014)

Física Quântica. Para nós: Física das escalas atômicas e sub-atômicas

QUÍMICA A Ciência Central 9ª Edição Capítulo 6 Estrutura eletrônica dos átomos David P. White

Termo-Estatística Licenciatura: 22ª Aula (05/06/2013) RADIAÇÃO TÉRMICA. (ver livro Física Quântica de Eisberg e Resnick)

Laboratório de Física Moderna Radiação de Corpo Negro Aula 01. Marcelo Gameiro Munhoz

NOTAS DE AULAS DE FÍSICA MODERNA

2. A ORIGEM DA CONSTANTE DE NEGRO

Apêndice Efeito Fotoelétrico, Laboratório de Estrutura da Matéria Fis101.

Radiação do corpo negro

Astrofísica Geral. Tema 04: Luz. Alexandre Zabot

Instituto de Física USP. Física V - Aula 15. Professora: Mazé Bechara

5 META: Medir a constante de Planck.

Transcrição:

Efeito Foto-Elétrico e Emissão de elétrons provocada pela incidência de radiação eletromagnética sobre algum material Breve história do efeito fotoelétrico : Heinrich Hertz 1886 descoberta do efeito (com luz ultra-violeta) Wilhelm Hallwachs 1888 primeiras experiências (eletroscópio) J.J.Thomson 1899 verificou a emissão de elétrons Philip Lenard 1902 primeiras medidas da energia dos foto-elétrons A. Einstein 1905 teoria do fóton (a partir da quantização de Planck) R. Millikan 1915 verificação da teoria de Einstein

www.nobelprize.org Efeito foto-elétrico Prêmio Nobel de Física 1921 "pelos seus serviços para a Física Teórica, e especialmente pela sua descoberta da lei do efeito fotoelétrico" Albert Einstein (1879-1955) Prêmio Nobel de Física 1923 "pelo seu trabalho sobre a carga elementar e sobre o efeito fotoelétrico" Robert Andrews Millikan (1868-1953)

Teoria clássica do eletro-magnetismo Maxwell 1865 Onda Eletromagnética. Ex: E o : Amplitude do campo elétrico, k=2p/l, w=2pn Vetor de Poynting: Intensidade da onda E-M: (energia/área/tempo)

Teoria clássica do E-M X Efeito F-E I,n e E c = 1 2 mv² Previsões: 1) A energia cinética dos elétrons (E c ) deveria aumentar com a intensidade (I) da onda E-M. 2) Deveria demorar para haver emissão de elétrons, dependendo de I. 3) E c não deveria depender de forma descontínua da frequência (n) da onda E-M. Observações experim.: 1) E c não varia com I. 2) Não há atraso perceptível. 3) Para frequências baixas (v<n 0 ) não ocorre e.f.e.

Planck (1900), quantização do oscilador harmônico: E n 4hn 3hn 2hn 1hn 0hn Início da teoria quântica E n-1 - E n = hn h = constante de Planck (6.6262 10-34 Js) explicação do espectro de radiação do corpo negro:

A teoria de Einstein para o e.f.e. 1905 Partícula de luz, fóton: E f = hν hn E c Conservação de energia: e e : carga do elétron (1.6022 10-19 C) : função de trabalho (V- volts) E máx =hν c 1) ok 2) ok 3) ok e

Medida da energia cinética máxima dos foto-elétrons i Potencial de corte E c máx = ev 0 0 V 0 V fr. tensão de freamento

Verificação das previsões de Einstein ev 0 ν =E máx. c =hν e i n 2 n 1 0 V 0 (n 1 ) V 0 (n 2 ) V fr ev 0 (ev) Millikan 1916 n (Hz)

Considerações sobre o potencial de contato a c Einstein: E máx c =hν e c =ev' potencial elétrico de freamento sentido o medido Campo conservativo: c + V'= a ev =hν e 0 + V CONCLUSÃO: a o

Analogia com bacias de água H' h a h c H DP =rgh H'=H+h a -h c V'=V+ a - c

Parte Experimental Verificar as observações de Lenard / Millikan Verificar a previsão de Einstein, e determinar o valor da constante de Planck Medir a função trabalho da válvula fotoelétrica O que será feito? Para várias radiações de comprimentos de onda e frequência diferentes será levantada a curva (I x V) de uma válvula fotoelétrica. Destas curvas será obtido o potencial de corte V 0 em função de f. Ajuste de reta para encontrar a constante de Planck. Ajuste de reta Lembre que: Frequência da radiação eletromagnética Comprimento de onda da radiação Velocidade da luz no vácuo

Aparato Experimental Fonte de luz: Led branco + Filtros de cor Fotocélula (Centron 1P39) Pico amperímetro/fonte de tensão (Keithley 6487) Computador + software de aquisição Filtro de cor Intensidade da luz controlada pelo pico amperímetro Fonte Luminosa K Válvula fotoelétrica A Filtros V A ProKeithleyNOVO Pico amperímetro + fonte de tensão variável RS232+GPIB

A Célula Foto-elétrica vácuo C A Fotocélula (Centron 1P39)

Procedimento Experimental Ligue todos os equipamentos (pico amperímetro e computador) e abra o programa de aquisição do pico amperímetro / fonte de tensão (ProKeithleyNOVO). Alinhe um filtro de cor com a válvula fotoelétrica e o LED. Posicionar filtro e LED junto à fotocélula Cobrir a fotocélula com pano preto Pressionar botão RESET no software Adquira as curvas V-I para intensidades 20,40,60,80 e 100%. Utilize a resolução de tensão no programa ProKeithleyNOVO de 0,1V. Repita o procedimento para os demais filtros de cor. Adquira a curva V-I com o LED desligado, e outra curva com a fenda da fotocélula totalmente tampada. Essa corrente medida é comparável com a corrente de fundo obtida com a lâmpada ligada?

Curvas Experimentais Previsão Teórica Corrente[A] Tensão[V] K Válvula fotoelétrica A A corrente não vai a Zero! Iluminação parasita (de outras fontes) Correntes de fuga no circuito V A + =

Métodos para determinação de V o Qual o efeito da largura espectral da luz incidente na curva (I x V)?? Dispersão da intensidade luminosa em função do comprimento de onda + + + =

Métodos para determinação de V o No experimento nota-se que: A corrente não vai a zero para potenciais menores que o potencial de parada. Por quê? A corrente medida com a lâmpada desligada é da mesma ordem de grandeza que essa corrente de fundo? Mesmo que subtrairmos o efeito da corrente de fundo, a corrente da fotocélula não diminui abruptamente. Por quê? Método 1 Método 2 Método 3 Corrente[A] Corrente[A] Corrente[A] Tensão[V] Tensão[V] Tensão[V]

Métodos para determinação de V o Neste experimento é possível determinar o potencial de corte para todos os comprimentos de onda? O que acontece se a energia do fóton não for maior que a função trabalho? 0 + = No seu experimento esse problema aconteceu em alguma medida? Qual o comprimento de onda?

Estimativas das incertezas de Vo e da frequência f Corrente[A] Estime a largura da região de cruzamento de V0 Tensão[V] Largura da faixa passante dos filtros

Não deixem de propagar as incertezas no ajuste Quais são as unidades de medida naturais deste experimento? Os resultados são compatíveis com os valores da literatura?

Procedimentos de análise de dados i n 1 n 2, I 1 n 2 > n 1 I 1 > I 2 n 2, I 2 i 0 V 0 (n 1 ) V 0 (n 2 ) V ret 0 i<0 (!?) V

Correntes espúreas i 0 V i = i c +i a + i f Corrente medida Corrente de cátodo (a que interessa) Corrente de ânodo ( cte < 0) Corrente de fundo : fuga (= V/R f ) + ambiente +...

Obtenção de i c (V) 1) Medir i f : a corrente de fundo, isto é, a que se obtém bloqueando a saída da Lâmpada de Hg, e que corresponde a: V if =iamb +... R 2) Subtrair i f ponto a ponto (em função de V) das medidas de cada raia para obter: f i-i f i i f = i c +i a i i f =i c + i a i a 0 3) Ajustar uma constante (i a ) para a região de V > V 0 onde supõe-se que i c = 0, e subtrair. V

Obtenção da tensão de corte V 0 i c 0 V 0 II V 0 I V 0 V I 0 ν V II 0 ν V h = ν e V ΔV 0 h = 0 a Δν e 0 n

Por que a curva de i(v) é assintótica? 1) Reexaminar o conceito de energia cinética máxima. 2) Considerar o efeito da temperatura (T > 0 K). 3) Considerar a resposta da fotocélula em função da sua geometria. - Elétrons são partículas de spin semi-inteiro (férmions) estatística de Fermi-Dirac: f(e) Probabilidade de ocupação 1 f E = E μ e kt + 1 ex: μ = 3eV k = constante de Boltzman T = 0 T = 300 K T = 1000 K E - Densidade de estados N(E) - Geometria (esférica, cilíndrica, plana...) Referências: R.H. Fowler, Phys. Rev. 38, 15 (1931) L.A.DuBridge, Phys. Rev. 39, 108 (1931) L.A.DuBridge, Phys. Rev. 43, 727 (1933) * * labdid.if.usp.br

Curvas teóricas para o efeito fotoelétrico W.W. Roehr, Phys. Rev. 44, 866 (1933) * Fotocélula com simetria esférica

Curvas de corrente versus tensão para diversos l e temperaturas W.W. Roehr, Phys. Rev. 44, 866 (1933)

Método alternativo para determinação de V o Método da segunda derivada, desenvolvido pelo prof. Tiago Fernandes Slides preparados pelo prof. Tiago

Curvas obtidas na aula anterior

Curvas obtidas na aula anterior Não observou-se o efeito fotoelétrico para este comprimento de onda Corrente de fundo obtida com a iluminação desligada

Método alternativo para determinação de V o Dispersão da intensidade luminosa em função do comprimento de onda + + + Como podemos eliminar a contribuição da corrente de fundo? Derivando a curva duas vezes!! =

Novo métodos para determinação de V o I(V aplicada ) = func (l,v) + av + b Corrente de fundo Utilizar o programa ORIGIN Eliminamos a parcela da corrente relativa à corrente de fundo. Qual o critério para escolher??.

V o é o primeiro ponto fora da reta ajustada Ajusta-se uma reta na região entre -9 V e -3 V. range utilizado Considera-se um ajuste com um intervalo de confiança de 68%. V 0 pode ser definido como o primeiro ponto fora da zona de confiança da reta. Usando o programa Origin é possível fazer o procedimento de forma simples

Exemplo de V 0 para O V 0 considerado vai ser a média dos V 0 encontrados para as curvas obtidas com intensidades diferentes. Valores de referência Derivada Segunda 4055 7,39827E14 9,12241E12 1,66 0,05 4370 6,86499E14 7,85468E12 1,35 0,08 5470 5,48446E14 5,01322E12 0,94 0,08 5780 5,19031E14 4,48989E12 0,81 0,07 6900 4,34783E14 3,1506E12 ----- -----

Metolodogia Agrupe seus dados de todas as intensidades para cada comprimento de onda em worksheets separados (um workbook para cada comprimento de onda). Utilize a ferramenta : Analysis Mathematics Diferentiate ( Order 2 ). Plote gráficos do tipo Stack para todas as derivadas. Ajuste as escalas horizontal (-10 V, +1 V) e vertical (analise o seu caso). Ajuste uma reta no intervalo: -9 V à -3 V (incluindo banda de confiança e previsão para um nível de confiança de 68% - use Spam to Full Axis). Escolha o V 0 como sendo o primeiro ponto que está fora da banda de confiança. Repita o procedimento para todos os comprimentos de onda.

Exemplo de V 0 para O V 0 considerado vai ser a média dos V 0 encontrados para as curvas obtidas com intensidades diferentes. Valores de referência Derivada Segunda 4055 7,39827E14 9,12241E12 1,66 0,05 4370 6,86499E14 7,85468E12 1,35 0,08 5470 5,48446E14 5,01322E12 0,94 0,08 5780 5,19031E14 4,48989E12 0,81 0,07 6900 4,34783E14 3,1506E12 ----- -----

Primeiro Resultado Resultados obtidos h = (3,75 ± 0,29) 10-15 ev.s a = (1,14 ± 0,19 ) ev Valores esperados h = 4,13 10-15 ev.s a = -1,36 ev

Monte um novo worksheet com as seguintes colunas: e preencha com os valores encontrados nos itens anteriores Plote os dados em um gráfico com as barras de erro. Ajuste uma reta aos dados (Analysis Fitting Fit Linear) Sumário de fórmulas que vocês vão precisar:

Comparando os Resultados Resultados obtidos h = (3,75 ± 0,29) 10-15 ev.s a = (1,14 ± 0,19 ) ev Valores esperados h = 4,13 10-15 ev.s a = -1,36 ev

Aparentemente os valores de V 0 estão sobrestimados! Tem como fazer melhor que isso? Estamos no limite do ruído! O valor de V 0 encontrado corresponde a uma energia menor 4055 7,39827E14 9,12241E12 1,66 0,05 Derivada Segunda 4370 6,86499E14 7,85468E12 1,35 0,08 5470 5,48446E14 5,01322E12 0,94 0,08 5780 5,19031E14 4,48989E12 0,81 0,07 6900 4,34783E14 3,1506E12 ----- -----

Os valores de V 0 estão sobrestimados! Menos Negativo Então a frequência correta deve ser menor Energia e- Posição Qual frequência devemos considerar? O filtro está especificado pelo comprimento de onda central?

Gráfico dos comprimentos de onda utilizados O que acontece quando se converte de comprimento de onda em frequência?

Compensação das frequências: Alargamento dos picos não é o mesmo! Qual frequência corresponde ao V 0 que nós encontramos?

Com V 0 sobrestimados devemos considerar uma frequência menor Qual o critério a ser adotado? 4055 7,02676E14 9,13411E12 1,66 0,05 4370 6,53407E14 7,85782E12 1,35 0,08 5470 5,26511E14 5,01072E12 0,94 0,08 5780 4,98132E14 4,48407E12 0,81 0,07 6900 4,21675E14 3,14691E12 ----- ----- Novos valores obtidos h = (4,05 ± 0,31) 10-15 ev.s a = (-1,21 ± 0,19) V Valores esperados h = 4,13 10-15 ev.s a = -1,36 V

Monte um novo worksheet com as seguintes colunas: e preencha com os valores encontrados nos itens anteriores (mas agora use a frequência compensada fornecida) Plote os dados em um gráfico com as barras de erro. Ajuste uma reta aos dados (Analysis Fitting Fit Linear)

Resultados Finais