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J.J. Thomson nació en1856. Pudo
estudiar en el Trinity College de
Cambridge con una beca.
Estudiantes de Cambridge del
tutor E.J. Routh, 1879. Thomson
está parado a la derecha de la fila
de atrás, en la puerta. Larmor está
en el extremo izquierdo de la fila.
En Cavendish hizo experimentos con
corrientes que circulaban dentro de tubos
de vidrio. Investigaba los rayos catódicos.
Propuso que se trataba de partes pequeñas
de los átomos. Es decir, propuso la
existencia de componentes subatómicos.
Así se pudo descubrir el electrón.
Material del AIP, http://www.aip.org/history/electron/
Thomson anunció: "we have in the cathode rays matter in a new state, a
state in which the subdivision of matter is carried very much further than
in the ordinary gaseous state: a state in which all matter... is of one and
the same kind; this matter being the substance from which all the
chemical elements are built up.” Voz de Thomson:
Hertz
Efecto Fotoeléctrico
J.J. Thomson
Cuando se ilumina una placa metálica con luz ultravioleta en
vacío, la placa emite partículas cargadas (Hertz 1887). Más
tarde J.J. Thomson mostró que eran electrones (1899).
Light, frequency ν
Vacuum
chamber
Collecting
plate
Metal
plate
I
Expectativas clásicas
El campo eléctrico ejerce una fuerza
F=-eE sobre las cargas. Si aumenta la
intensidad aumenta la fuerza y debe
aumentar el número de cargas que se
emiten.
Los electrones deberían ser emitidos
independientemente del valor de la
frecuencia
Ammeter
Potentiostat
Para intensidades bajas debería existir un
intervalo de tiempo que habría que
esperar hasta que la carga fuera emitida.
Efecto fotoeléctrico
Resultados experimentales:
Einstein (1905):
El número máximo de cargas emitidas
es independiente de la intensidad pero
depende de la frecuencia.
Existe una frecuencia de corte tal que
si ν<ν0 no se emiten cargas.
La luz viene en paquetes
de energía (fotones).
E  h
La carga (el electrón)
No hay que esperar ningún intervalo
absorbe un único fotón
de tiempo a baja intensidad. La tasa
para dejar el material
de emisión depende de la
intensidad..
La cantidad máxima de electrones emitidos, KE,
está dada por: o
K max  h  W
Constante de Planck
h  6.63 1034 Js
Einstein
Función de trabajo: energía mínima
necesaria para que el electrón escape
del metal (depende del material,
usualmente es del orden de 2-5eV)
Millikan
Esto fue verificado
experimentalmente
por Millikan
Imagen de lo que sucede
El eefecto fotoeléctrico es
utilizado para estudiar
materiales
El efecto fotoeléctrico es la base de los
fotomultiplicadores, detectores ópticos de vacío
que permiten medir muy bajos niveles de
iluminación.
Febrero 2000
Los electrones emitidos dan información sobre la
distribución de electrones dentro de un material
como función de la energía y el momento.
Compton
Efecto Compton
Compton (1923) midió la intensidad de los rayos X
dispersados por un blanco sólido como función de la longitud
de onda para distintos ámgulos. Ganó el Premio Nobel en
1927.
X-ray source
Collimator
(selects angle)
Crystal
(selects
wavelength)
θ
Target
Detector
Resultado: el pico en la radiación
dispersada se corre hacia longitudes de onda
más largas que las de la fuente. Cuánto
depende de θ (y no del material).
A.H. Compton, Phys. Rev. 22 409 (1923)
Efecto Compton
Imagen clásica: el campo electromagnético oscilante pone a oscilar a las partículas
cargadas las que entonces re-irradian la energía en todas las direcciones con la misma
frecuencia y longitud de onda que la del campo incidente.
Clásicamente el cambio en la longitud de onda es inexplicable.
Onda incidente
Electrón que oscila
Onda emitida
Explicación de Compton: choques entre partículas de luz (fotones en el
rango de rayos X) y electrones del material material
Antes de la
colisión
Después
p 
Fotón dispersado
Fotón que llega
p
θ
Electron
pe
Electrón dispersado
Efecto Compton
Antes
Después
p 
Fotón dispersado
Fotón entrante
θ
p
Electron
pe
Conservación de la energía
h  me c  h    p c  m c
2
2 2
e

2 4 1/ 2
e
Electrón dispersado
Conservación del momento
hˆ
p  i  p   p e

A partir de estas igualdades Compton derivó lo siguiente:
h
   
1  cos 
me c
 c 1  cos    0
c  Compton wavelength 
h
 2.4 1012 m
me c
Efecto Compton
Resultados:
• Para cualquier ángulo se observa
una frecuencia adicional
Efecto Compton
Resultados:
h
 '0 
(1  cos  )  C (1  cos  )
me c
C  2.43 10 12 m
Efecto Compton
Notar que, para todos los ángulos,
también hay un pico que no está
corrido
Esto viene de la colisión entre el
fotón X y el núcleo del átomo
h
   
1  cos  
mN c
0
Dualidad onda-partícula de la luz
En 1924 Einstein escribió:- “ Hay por lo tanto dos teorías
de la luz, las dos indispensables y … sin ninguna conexión
lógica”.”
Naturaleza ondulatoria
• difracción e interferencia
Evidencia a favor de “fotones”
• Efecto fotoeléctrico
• Efecto Compton
•La luz exhibe propiedades de las ondas
•La luz es detectada como paquetes. Nunca se observa
medio fotón.
•Número de fotones es proporcional a la densidad de
energía (i.e al cuadrado de la intensidad de E)