3. Descripción
El aparato de la constante de Planck sirve para la
medición de la constante de Planck h y del trabajo
de extracción de electrones W del cátodo de cesio de
la fotocélula, por medio del método de la
contratensión.
Éste aparato lleva una fotocélula al vacío, un
nanoamperímetro para la medición de la corriente
fotoeléctrica y una fuente de alimentación para los
LEDs. Como fuente de luz para diferentes frecuencias,
se tienen a disposición cinco diodos emisores de luz de
longitud de onda promedio conocida (LED). La
intensidad de la luz emitida se puede variar entre 0% y
100% sin saltos. La fotocélula está compuesta de un
cátodo metalizado por vaporización con cesio (Cs) y un
ánodo en forma de anillo. Cuando el aparato está
conectado se tiene una tensión entre esos electrodos, la
cual se puede variar burda y finamente por medio de
dos botones de ajuste.
La alimentación de tensión del aparato se realiza por
medio de la fuente de tensión enchufable que se
entrega. El aparato de la constante de Planck con el
número de artículo 1000536 / U10700-115 está
diseñado para una tensión de red de 115 V (±10 %),
el aparato con el número 1000537 / U10700-230
para 230 V (±10 %).
4. Datos técnicos
Fotocélula:
Voltímetro:
Exactitud:
Nanoamperímetro:
Exactitud:
Diodos luminosos:
Dimensiones:
Masa:
5. Fundamentos teóricos
A finales del siglo 19 y a inicios del siglo 20, el
llamado "efecto fotoeléctrico" representaba uno de
los últimos enigmas para la Física considerada ya
como cerrada. La explicación de este fenómeno no
se pudo lograr con la teoría clásica del siglo 19. En
1905 el Físico Albert Einstein logró una descripción
teórica sencilla y genial de este efecto, apoyándose
en la teoría cuántica introducida por Max Planck. Él
asumió que la luz se compone de partículas,
llamadas cuantos. La energía E de estos fotones
(cuantos de luz) debería ser directamente a su
frecuencia f y la magnitud de su impulso p debería
ser indirectamente proporcional a la longitud de
onda de la luz λ:
=
⋅
⋅
=
λ
E
h
f
p
h
/
Siendo en este caso la constante de proporcionalidad
h, el cuanto de acción de Planck. Esto significa que la
energía se puede entregar sólo en forma de
pequeños paquetes de radiación electromagnética.
Esta cantidad mínima depende de la frecuencia. El
cuanto de acción de Planck es una constante natural
fundamental que tiene exactamente el valor de
Tipo 1P39, Cesio (Cs)
3½ dígitos, LCD
0,5 % (típica)
3½ dígitos, LCD
1 % (típica)
472 nm, 505 nm, 525 nm,
588 nm, 611 nm
280x150x130 mm³
aprox. 1,3 kg
-34
h = 6,62606896*10
En el experimento, la luz incide sobre el cátodo del
diodo luminoso encerrado y conectado, a través de
del ánodo en forma de anillo. Si un electrón es
chocado por un foton, el fotón en el efecto
fotoeléctrico traspasa su energía total al electrón
= ⋅ ). Una parte de la energía es necesaria para
( E
h f
extraer el electrón de la superficie del metal (trabajo
de extracción W). El resto de la energía está a
disposición del electrón en forma de energía
cinética:
= ⋅ −
E
h f W
kin
El trabajo de extracción es una magnitud que depende
del material del cátodo y de la temperatura, para el
cesio (Cs) es de 2,14 eV para 0 K y de aprox. 2 eV para
temperatura ambiente.
Dependiendo de la contratensión aplicada entre el
cátodo y el ánodo, fluye una corriente de electrones
del cátodo hacia el ánodo, la cual se mide con el
nanoamperímetro. Si la contratensión corresponde a
la tensión límite U
con
0
⋅
=
= ⋅ −
e U
E
h f W
0
kin
llega así esta corriente al valor 0 nA.
e U ⋅ - f los valores de U
En un diagrama
para diferentes frecuencias f se encuentran en una
recta de pendiente h y con un corte del eje-y igual a
W. Para cada material de cátodo se tiene un rango
dife-rente en la abscisa-y correspondiente. La pen-
diente de la línea depende del material del cátodo.
6.1 Medición de las tensiones límite con 75% de
la intensidad de la luz.
•
Para realizar el suministro de tensión se conecta
la fuente.
•
La intensidad de la fuente de luz se ajusta en 75%.
•
La clavija de la primera fuente de luz se conecta
en el casquillo para LED.
•
Se aprietan las clavijas de sujeción de la carcasa
vacía en el tubo de alojamiento de la fotocélula
y se retira la carcasa vacía.
•
Se desliza completamente la carcasa del LED en
el tubo de alojamiento de la fotocélula hasta
que las clavijas de sujeción encajen.
•
El botón de ajuste fino para la contratensión se
lleva a la posición intermedia.
Observación: Se recomienda que en la primera
medida se espere un par de minutos antes de iniciar
con el ajuste de la tensión o voltaje límite.
•
Se gira lentamente el botón de ajuste burdo
hasta que la corriente fotónica se haga aprox. 0
en el nanoamperímetro.
•
Con el botón de ajuste fino se optimiza el ajuste.
Para ello, se gira el botón de ajuste fino hasta
que la indicación cambie entre 0 und -0.
•
La contratensión ajustada en esta forma se
anota como tensión límite U
•
Se repite la medición con los siguientes cuatro LEDs.
2
Js.
=
⋅
−
19
y
e
1,6021 10 C
medidos
0
0
6. Manejo
.
0
