Efecto Fotoeléctrico

El efecto fotoeléctrico es el fenómeno mediante el cual la luz, al incidir sobre un metal, le arranca electrones.

Para estudiar el efecto fotoeléctrico se utilizó un tubo de vidrio en cuyo interior se hizo el vacío. Se colocaron en el tubo dos placas metálicas conectadas a una pequeña batería, con el objetivo de que existiese entre ellas una diferencia de potencial. La placa conectada al borne negativo, el cátodo, se iluminará con radiación de distintas longitudes de onda; la otra, el ánodo, hará de placa colectora.

En las condiciones de la experiencia, si no se ilumina el cátodo, el amperímetro indica que no hay paso de corriente. Cuando la luz que ilumina el cátodo tiene una determinada longitud de onda, el amperímetro detecta el paso de corriente de forma casi instantánea, lo que indica que la luz ha sido capaz de arrancar electrones (fotoelectrones) al cátodo que se dirigen a la placa colectora, provocando la corriente detectada.

Los Espectros Atómicos

A finales del siglo XIX eran frecuentes las experiencias de laboratorio en las que se sometía a fuertes descargas eléctricas un tubo de vidrio en cuyo interior se colocaba un gas a muy baja presión. Como resultado de la descarga se producía la emisión de una radiación luminosa que, tras hacerla pasar por un prisma, se descomponía en una serie de bandas, similares a los colores del arcoíris. El conjunto de radiaciones emitidas era característico de los átomos que formaban el gas que había en el interior del tubo.

El análisis de estas radiaciones emitidas constituye el espectro de emisión del elemento estudiado, y el aparato que permite obtenerlo y analizarlo se denomina espectroscopio de emisión.

De forma complementaria, se puede estudiar el espectro de absorción de un elemento.

Para un mismo elemento químico, el espectro de absorción es complementario del espectro de emisión; es decir, las líneas negras que se detectan en el espectro de absorción coinciden en su posición con las líneas de color del correspondiente espectro de emisión.

Modelo Atómico de Bohr

El modelo atómico establecido por Bohr para explicar los espectros de emisión se basa en tres postulados:

1. Los átomos son estructuras formadas por un pequeño núcleo, donde se encuentran las partículas positivas (protones) y la mayor parte de la masa del átomo, y una corteza en la que se hallan los electrones girando en determinadas órbitas circulares estacionarias. Cuando el electrón gira en una órbita estacionaria no emite energía.
2. Para un electrón solo están permitidas las órbitas que cumplen la condición de que su momento angular esté cuantizado.
3. Los electrones pueden absorber o emitir energía en forma de radiación electromagnética -fotones- que les lleve de una órbita permitida a otra órbita permitida. La energía de los fotones absorbidos (si pasan a una órbita más alejada del núcleo) o emitidos (si lo hacen a una más próxima al núcleo) es igual a la diferencia de energía entre dichas órbitas: ∆e = h • f

Max Planck

Cada oscilador solo puede absorber o emitir energía que sea un múltiplo entero de su energía básica, una energía que es directamente proporcional a su frecuencia natural de oscilación.

Según la teoría de Planck, la energía que puede absorber o emitir un oscilador es E = n•h•f

Cada oscilador se puede encontrar en distintos estados cuánticos, correspondientes a los diversos valores de n.

Cuando el oscilador pasa de un estado cuántico a otro, absorbe o emite la energía que resulta de la diferencia entre ellos. Por eso esa energía siempre es un número de veces la energía básica. Esta unidad de energía básica se llama cuanto de energía o fotón. Los átomos o moléculas pasan de un estado cuántico a otro absorbiendo o emitiendo un determinado número de fotones.

Principio de Indeterminación de Heisenberg

Principio de Indeterminación para la Posición y el Momento

No es posible determinar a la vez el valor exacto de la posición y el momento lineal de un objeto cuántico. Ambas indeterminaciones guardan la siguiente relación: ∆x • ∆p >= h / 4π

Principio de Indeterminación para la Energía y el Tiempo

No es posible determinar a la vez el valor exacto de la energía de un objeto cuántico y el tiempo durante el cual el objeto permanece en ese estado de energía. Ambas indeterminaciones guardan la siguiente relación: ∆E • ∆t >= h / 4π

En el nivel cuántico, la incertidumbre en la medida no está ocasionada por la precisión de los aparatos empleados, sino que es debida a la propia naturaleza del electrón o de la partícula sobre la que efectuamos la medida.

Dualidad Onda-Partícula de De Broglie

El principio de De Broglie generaliza el resultado para cualquier partícula: toda partícula material que se mueva lleva asociada una onda cuya longitud de onda viene dada por la expresión: λ = h / p (donde P (momento lineal) = m • v)

Para poder apreciar el efecto ondulatorio de una partícula es necesario que su longitud de onda sea de unas dimensiones que permitan dar un patrón de difracción al atravesar una rejilla. Las rejillas más pequeñas son de tamaño atómico.

El valor de la constante de Planck impide que se pueda apreciar la onda asociada a partículas macroscópicas. Solo partículas de tamaño muy pequeño, como los electrones o los neutrones, pueden tener un comportamiento ondulatorio apreciable.

Aplicación de los Procesos Nucleares

Aplicación en Medicina

Diagnóstico

Se administra al paciente un material radiactivo que se fija sobre determinadas células o tejidos. Un detector mide su actividad y obtiene una imagen que refleja el estado del tejido u órgano estudiado. Se utilizan para estudiar huesos, enfermedades inflamatorias o para estudiar el tiroides.

Radioterapia

Se utiliza para eliminar tumores de tipo cancerígeno. Se hace llegar la radiación emitida por sustancias radiactivas a la zona del tumor para que destruyan las células malignas.

Aplicación en Investigación

Datación

Midiendo la actividad radiactiva que presenta un isótopo en una muestra podemos determinar la antigüedad de la misma. Es muy frecuente medir la actividad del núclido C-14 para datar la antigüedad de restos arqueológicos, aunque si se pretenden hacer dataciones geológicas deberemos estudiar la actividad de núclidos que tengan un mayor periodo de semidesintegración.

Por el contrario, para determinar la antigüedad de un vino o un agua subterránea tendremos que emplear un isótopo de menor periodo de semidesintegración, como el tritio.