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EFECTO FOTOELÉCTRICO , FÍSICA MODERNA Y LA TEORIA DE LA RELATIVIDAD EJERCICIOS RESUELTOS EN PDF Y VIDEOS



















Este capítulo se ocupará de dos teorías físicas
que se desarrollaron a comienzos del siglo XX
y que constituyeron una revolución en la historia de la ciencia y de la técnica. Son éstas: La teoría de la relatividad especial, desarrollada por Albert Einstein y la teoría cuántica, enunciada por Max Planck y desarrollada por Einstein y otros.
La teoría de la relatividad especial se ocupa de los movimientos que ocurren a grandes velocidades; es decir, a velocidades comparables con la velocidad de la luz en el vacío.
La teoría cuántica se ocupa de los fenómenos físicos a nivel submicroscópico; es decir, en el mundo de los átomos, los electrones y las moléculas.
En la Navidad de 1890, el gran teórico alemán Max Planck presentó ante la Academia de Ciencias de Berlín un postulado extraño. Para explicar la radiación que emiten los cuerpos incandescentes. Planck se vio forzado a suponer que la energía electromagnética se produce y propaga en múltiplos de un paquete de energía, cuanto como lo llamo. El cuanto de energía es proporcional a la frecuencia de la onda, con una constante de proporcionalidad h, que luego llevó al nombre de Planck. Con esta rara suposición tan ajena a la física clásica, Planck pudo explicar lo que se observaba experimentalmente para la radiación que emitida un cuerpo cuando se aumenta su temperatura. La idea de los cuántos se origina, pues, en un problema termodinámico que era un verdadero quebradero de cabeza para los científicos de fines del siglo XIX.
Es de imaginarse la conmoción científica que produjo la hipótesis de Planck, verdadero origen de la física moderna. Poco tiempo después, tan solo cinco años, Einstein volvió a emplearla para explicar otro extraño fenómeno, el efecto fotoeléctrico. Cuando se ilumina con luz a ciertos materiales estos pueden, en las condiciones apropiadas, hacer que se cierre un circuito eléctrico. Este fenómeno es la base de las celdas fotoeléctricas usadas comúnmente hoy en día, para evitar que se cierre la puerta de un elevador, por ejemplo Otra vez, la teoría electromagnética clásica, que supone la luz como una onda, es incapaz de explicar. En cambio, si se supone que el cuanto de luz existe, y que le comunica toda su energía a los portadores de la electricidad que están en el material fotoeléctrico, los resultados experimentales se adecuan a la teoría. Ese mismo año de 1905, el oscuro empleado de la oficina de patentes de Berna explico el efecto fotoeléctrico, invento la teoría de la relatividad de la cual luego hablaremos y explicó las observaciones hechas cien años antes por el botánico inglés Robert Brown, sobre el movimiento de pequeñas partículas suspendidas en un fluido, el conocido movimiento Browniano. Quince años después, Einstein recibiría el premio Nobel de Física por su explicación del efecto fotoeléctrico.
CUANTIFICACIÓN DE
LA ENERGÍA

RADIACIÓN TÉRMICA :
Todos los cuerpos calentados hasta una alta temperatura emiten y absorben radiación (luz) llamada radiación térmica. Por ejemplo si un sólido se calienta hasta la incandescencia emite una radiación térmica que da un espectro (electromagnético) continuo. Sin embargo, la energía total a lo largo del espectro no es uniforme, siendo las radiaciones de ciertas frecuencias emitidas de mayor intensidad, mientras que otras son emitidas débilmente. Esto depende de la naturaleza química del cuerpo y de la temperatura.

el trabajo de extracción del metal es 5 eV?
A) 1,6 V B) 1,5 V C) 1,4 V
D) 1,3 V E) 1,2 V
Hallar la longitud de onda de De Broglie de un electrón cuya velocidad es 103m/s.
Masa en reposo del electrón mo=9,11×10–31 kg.
A) 6,8 ×10 –7 m B) 7,3×10 – 7 m
C) 3,8×10 –7 m D) 3,8×10 – 6 m
E) 6,0×10 –7 m
Se necesita potencial eléctrico V01=0,5V para detener los electrones más veloces emitidos al incidir luz de sobre una superficie metálica. ¿Qué potencial V02 se necesitará para detener los electrones más veloces que se emiten cuando la misma superficie se ilumina con luz de ?
A) 1,54 V B) 2,56 V C) 5,89 V
D) 4,78 V E) 9,52 V
Un fotón de interactúa con un electrón que se encuentra en reposo, entregándole la milésima parte de su energía. Si toda la energía que recibe el electrón, se transforma en energía cinética entonces la magnitud de la velocidad del electrón, en m/s, sabiendo que, me=9,11×10–31 kg, h=6,6×10–34 J.s , c=3×108 m/s, será aproximadamente igual a:
A) 2,95×104 B)1,36×104
C) 2,99×102 D) 29,97
E) 3,18×10–3
Un experimento de efecto fotoeléctrico se encuentra que para anular la fotocorriente se requiere aplicar un potencial de 1,44V. Si el fotón incidente tiene una energía de 3,44eV, ¿cuál es la función trabajo (en eV) del material?
A) 0,5 B) 1,0 C) 1,5
D) 2,0 E) 2,5
Un haz de luz de longitud de onda se hace incidir sobre la superficie de un metal, cuya función trabajo es 2eV Hallar la magnitud de la velocidad (en m/s) con que se desprenden los electrones de la superficie del metal.
A) 6,3×105 B) 7,1×105 C) 6,2×105 D) 5,9×105 E) 5,3×105
Escoja la proposición correcta:
A) El modelo de Planck permite explicar la emisión de electrones de un metal cuando se le ilumina con luz.
B) Los rayos X se generan cuando electrones suficientemente energéticos en movimiento son frenados por una superficie metálica.
C) La teoría de Bohr asocia una energía a cada onda electromagnética, proporcional a su frecuencia.
D) El efecto fotoeléctrico es la generación de luz por medio de los electrones.
E) La relatividad se aprecia en todos los fenómenos físicos de la vida cotidiana.
¿Cuál de los siguientes enunciados es correcto?
A) La radiación electromagnética sólo tiene naturaleza corpuscular.

B) Las ondas ultravioletas son menos energéticos que las infrarrojas.

C) En el vacío, la velocidad de la luz infrarroja es menor que la luz ultravioleta.

D) Un cuerpo con alta temperatura irradia energía continuamente.

E) En equilibrio térmico una esfera metálica a alta temperatura irradia más energía de la que absorve .
Indique la afirmación correcta:
A) Cualquiera que sea la frecuencia de la luz, es posible que sean arrancados electrones de un metal.

B) Los electrones en el interior de un metal tienen la misma energía.

C) Cuando los electrones son arrancados de un metal, cuanto mayor es la frecuencia de la luz incidente, mayores son las energías cinéticas máximas de los electrones que abandonan el metal.

D) Cuanto mayor sea la intensidad de la luz de una frecuencia dada que incide sobre una superficie metálica, mayores son las energías cinéticas máximas de los electrones que abandonan la superficie.

E) Cuanto mayor es la energía de un fotón mayor es el número de electrones que él puede arrancar del metal.
Con respecto al efecto fotoeléctrico. Indique cuáles de las siguientes afirmaciones son verdaderas (V) o falsas (F):
I) Para que se produzca el efecto fotoeléctrico es imprescindible que exista una diferencia de potencial grande.
II) La velocidad de los fotoelectrones aumenta con la intensidad de la luz incidente.
III) La función trabajo es una constante independiente del material sobre el que incide la luz.
A) VVV B) VFV C) VFF
D) FVF E) FFF
En el efecto fotoeléctrico, se triplica la intensidad , entonces:
A) La energía cinética de los fotoelectrones se duplica.
B) La energía cinética de los fotoelectrones se triplica.
C) La energía cinética de los fotoelectrones se cuadriplica.
D) La energía cinética de los fotoelectrones se reduce a la mitad.
E) El número de fotoelectrones se triplica.
Sobre una superficie metálica limpia incide radiación con una frecuencia , donde o es la frecuencia umbral, ¿cuáles de las siguientes proposiciones son falsas (F) o verdaderas (V)?
I) La energía cinética máxima de los fotoelectrones depende de la intensidad de la radiación incidente.
II) Si =o , no se da el efecto fotoeléctrico.

III) El potencial de frenado solo depende de la frecuencia de la radiación incidente.
A) FFF B) FFV C) FVV
D) VFV E) VVF
Para un proceso de generación de rayos X se da un conjunto de 5 proposiciones. Identifique la incorrecta.
A) Los electrones se emiten por un filamento a alta temperatura en un tubo al vacío.

B) Estos electrones se aceleran por un alto voltaje dentro del tubo.

C) Tales electrones al impactar sobre un blanco , se emiten rayos X.

D) Los núcleos positivos del blanco desaceleran al electrón incidente.

E) Cada fotón X emitido tiene una energía igual a la energía cinética del electrón incidente.
Respecto a la generación de rayos X, señale la veracidad (V) o falsedad (F) de las siguientes proposiciones:
I) min depende del material del que está hecho el blanco .
II) min es independiente del material del blanco.
III) Cada electrón que choca con el blanco, genera sólo un fotón de rayos X.
A) FVF B) FVV C) VVV
D) FFF E) VFV
En el experimento del efecto fotoeléctrico una superficie metálica es irradiada con ……. produciéndose la emisión de ………….
A) electrones – electrones
B) iones – electrones
C) fotones – fotones
D) fotones – fotoelectrones
E) electrones – fotones
Dos eventos A y B ocurren simultáneamente, pero en distinto sitio dentro del marco S. En otro marco S’.

A) Los eventos podrían ocurrir simultáneamente y en el mismo sitio.
B) Los eventos podrían ocurrir simultáneamente, o en el mismo sitio pero no en ambas formas.
C) Los eventos podrían ocurrir simultáneamente, pero no en el mismo sitio.
D) Los eventos no podrían ocurrir simultáneamente, pero sí en el mismo sitio.
E) Los eventos no pueden ocurrir simultáneamente, y tampoco en el mismo sitio.
Respecto a la hipótesis de Planck, señale la veracidad (V) o falsedad (F) de las siguientes proposiciones:
I) Las moléculas absorben o emiten energía en cantidades discretas.
II) Un fotón es una partícula de masa 2 veces la masa del electrón.
III) La energía que transporta un fotón de una radiación cuya frecuencia es igual a 6×1014 Hz es 4,5 eV(1eV 1,6×10–19 J)
A) FFF B) FVV C) VVV
D) FVF E) VFV

En el efecto fotoeléctrico, la longitud de onda de los fotones que inciden se cambia por fotones de longitud de onda menor. Por lo tanto:
A) La energía cinética de los fotoelectrones aumenta.
B) La energía cinética de los fotoelectrones disminuye.
C) La energía cinética de los fotoelectrones no varía.
D) El número de fotoelectrones disminuye.
E) El número de fotoelectrones aumenta.
En el fenómeno de los rayos X se presenta la igualdad:

Según la cual , identifique la

proposición falsa:
A) La energía cinética del fotón emitido es
B) La máxima energía del fotón emitido es hv.
C) La energía potencial eléctrica que adquiere el electrón que se acelera es eV.
D) , significa que la máxima energía del fotón emitido, es igual a la pérdida de la energía cinética del electrón.
E) , energía que la energía cinética del electrón es la que le proporciona el voltaje acelerador.
El fenómeno de emisión de los rayos X se tienen las cantidades:
: energía cinética (máxima) del electrón acelerado.
eV: energía de fotón emitido.
Identifique la veracidad (V) o falsedad (F) de las proposiciones:

A) VFF B) FVF C) FFF
D) VVF E) VVV
Un electrón sale de un tubo de rayos catódicos y justo antes de chocar con el ánodo tiene una energía de 105 eV . Si en el choque pierde la mitad de su energía, halle (en nm) la longitud de onda de los rayos X que se originan.
A) 0,050 B) 0,006 C) 0,6
D) 0,4 E) 0,2
A la temperatura T1 un cuerpo negro emite un espectro de radiación electromagnética con frecuencia máxima ‘‘1’’, considerando que ‘‘c’’ es la velocidad de la luz en el vacío, entonces a la temperatura T2=2T1 el mismo cuerpo emitirá un espectro con longitud de onda máxima?

Cuando un electrón pasa de una órbita a otra contigua, el átomo emite un foton de 1014Hz de frecuencia. ¿Cuál es aproximadamente, la diferencia de energía (en eV) entre estas órbitas?
(h=6,63×10–34 J.s ; 1eV=1,6×10–19 J)

A) 0,10
B) 0,20
C) 0,30
D) 0,41
E) 0,50
Calcule la longitud de onda mínima del rayo X que emite un blanco de molibdeno cuando incide sobre el blanco los electrones de 35 keV (de la respuesta en un factor de 10–12m).
A) 28,2 B) 35,4 C) 41,6
La velocidad de un electrón que tiene una energía cinética de: es 1, donde

¿Cuál será la velocidad de un electrón cuya energía cinética es 4K?
A) Entre 1 y c
B) Menos de 21
C) Igual a 2v1
D) Mayor que 2v1
E) Tanto a como c son correctas
Determinar (en kV) la diferencia de potencial entre el filamento y el ánodo de un tubo de rayos X, con la que debe ser acelerado un electrón para que el límite de las ondas cortas en el espacio continuo de rayos X sea de 0,6 nm.
A) 3,15 B) 3,05 C) 3,07
D) 2,07 E) 2,87
En la figura, se muestra la distribución espectral de la emisión continua de rayos X. Determinar (en kV) el potencial acelerador de los electrones.

A) 42 B) 22 C) 42 D) 15 E) 31
Una fuente luminosa emite 600×1019 fotones correspondientes a luz roja (=650nm) durante 1 hora. Determine su potencia (en W).
A) 5,6 B) 4,5 C) 3,8
D) 2,5 E) 0,5
bombilla eléctrica de 50 W emite 9×1021 fotones en cada minuto. Determine la longitud de onda asociada a la radiación (en nm).
A) 600 B) 700 C) 596,7
D) 500 E) 400
Cuando se ilumina una superficie con luz de , se encuentra que el potencial de frenado para los fotoelectrones emitidos es de 0,75V. ¿Cuál será el potencial de frenado para los fotoelectrones, si la luz incidente tiene de longitud de onda?
A) 1,23 eV B) 3,76 eV C) 5,89 eV
D) 3,92 eV E) 2,13 eV
En una dispersión de Compton, se detectaron el fotón y el electrón dispersados. Se encontró que la energía cinética del electrón era 75 keV y la energía del fotón de 200 keV ¿Cuál era la longitud de onda inicial del fotón?

La figura muestra la distribución espectral de la emisión continua de rayos X. Determinar el potencial acelerador (en kV) de los electrones.

A) 11 B) 21 C) 31 D) 41 E)41

Calcular la longitud de onda(en ) de los rayos X característicos emitidos por un blanco de Molibdeno (Z=42), cuando un electrón sufre una transición de la capa M(n=3) a la capa K(n=1.).

A)0,4 B)0,5 C)0,6 D)0,7 E)0,8

Determinar la energía (en eV) y la frecuencia (en Hz) de los rayos X característicos emitidos por un blanco de Níquel en un tubo de rayos X, cuando un electrón salta de la capa M a un lugar desocupado en la capa L.

A)1752,9–0,4×1017
B)1752,9–0,4×1018
C)1755 – 1018
D)1800 –1017
E)1752,9–0,4×1016
¿Qué longitud de onda (en) predice la ecuación de De Broglie para un haz de electrones cuya energía cinética es 120 eV?.

A)11,2 B)1,12 C)2,11 D)2,1 E)3,12
La cantidad de movimiento de un fotón de frecuencia 1014 Hz es:
* Dar el resultado en kg.m/s

* h =6,63. 10–34 J.s
* c =3×108 m/s

En un tubo de rayos X la diferencia de potencial entre ánodo y cátodo es igual a 10kV. ¿Cuáles de las siguientes proposiciones son falsas o verdaderas?
I) La longitud de onda más energética es igual a .
II) El fotón más energético es de 10 keV.

III) La energía cinética de los electrones veloces antes de colisionar con el ánodo es igual a 10 keV.
A)FVV B) VVV C) FVF
D)FFF E) VFF
Respecto a los rayos X, señale la verdad (V) o falsedad (F) de las siguientes proposiciones .
I) Se generan por el frenado violento de electrones.
II) Se emiten en la vecindad del electrodo negativo.
III) Hay intercambio de energía eléctrica y cinética en los electrones
VI) Los rayos X no pueden producir efecto fotoeléctrico.
V) El mecanismo de producción de rayos X muestra la naturaleza ondulatoria de éstos.

Una popular estación de radio transmite a 730kHz en AM, mientras que en FM transmite a 89,1 MHz. ¿Cuántos fotones de AM son necesario para obtener una energía total igual a la de un fotón de FM?
A) 112 B) 122 C) 132 D) 142 E) 152
Sobre una superficie incide luz monocromática de con una potencia de 0,5 W. ¿cuántos fotones llegan durante 5s? (como factor de 1018)
A)5,6 B)6,6 C)7,6 D)8,6 E)9,6
Determinar la longitud de onda de un fotón, en , cuya energía es de 600 eV (aprox.)
A)11 B)16 C)21 D)26 E)31
Determinar la energía (en e v) de un fotón cuya frecuencia es de 46 MHZ (1eV = 1,6 × 10-19J)
A)5×10-8 B)20×10-4 C)19×10-8
D)3×102 E)9 ×4108
Un transmisor de radio de 10 kW transmite en una frecuencia de 1, 5 MHZ. ¿Cuántos fotones emite por segundo?
A)1031 B)1029 C)1027 D)1025 E)1023
El profesor utiliza un puntero láser violeta (=4000A) el cual tiene una potencia de 5MW., si lo utiliza para apuntar perpendicularmente a la pizarra. Calcula aproximadamente, el número de fotones que la pizarra recibe en cada segundo.
A)1014 B)1016 C)1018 D)1020 E)1022
El efecto fotoeléctrico consiste en misión de……cuando una superficie metálica es irradiada con……
A)electros – iones
B)fotones – eléctricos
C)fotones – fotones
D)electrones – fotones
E)electrones – electrones
El umbral característico de cierto metal es 2750 A. ¿Qué valor mínimo tendrá la energía (en e v) del fotoelectrón producido?
A)1,5 B)2,2 C)3,6 D)4,1 E)4,5
Con relación al efecto fotoeléctrico, indicar verdadero (V) o falso (F).
I) los fotoelectrones emitidos son

ondas electromagnéticas.
II)Sólo ocurre cuando se hace incidir electrones sobre una superficie metálica.
III) Prueba el carácter corpuscular de la luz.
A)VVV B)VFV C)FFF
D)FVV E)FFV
Se hace incidir 5mW de luz monocromática sobre el cátodo de un tubo y el voltaje entre el ánodo y cátodo se disminuye poco a poco, hasta que con –4,55 v la corriente se corta. Hallar la mayor velocidad (en106m/s) con que se han desprendido algunos electrones.
A)1,3 B)2,3 C)3,3 D)4,3 E)5,3
El potencial de frenado de los fotoelectrones en un experimento de efecto fotoeléctrico varía con la frecuencia de la luz incidente según se muestra en el gráfico. Determine la función trabajo (en ev) de la muestra.

A)1
B)–1
C) 2
D) –2
E) 3

Cuando se irradia una superficie con luz de
=560nm se origina una corriente fotoeléctrica que desaparece si se aplica un potencial de retraso, mayor de 0,60v al foto tubo. Cuando se emplea otra fuente luminosa se observa que el potencial crítico de retraso cambia a 1,1 v.

A)562 B)428 C)457 D)681 E)396
Entre ánodo y cátodo de un tubo de rayos X se establece un voltaje de 33 kv, si unos electrones al chocar con el ánodo pierden la mitad de su energía, hallar la frecuencia de los rayos X (en términos de 1018HZ) que se generan como consecuencia de ello.
A)1 B)2 C)3 D)4 E)5
Un tubo de rayos X funciona con 10 kv. ¿En que porcentaje cambia la longitud de onda del fotón más energético, si el potencial de trabajo disminuye en un 20%?
A) Disminuye en 25%
B) Aumenta en 25%
C) Disminuye en 20%
D) Aumenta en 20%
E) Aumenta un 12%
Un tubo de rayos X opera a una tensión igual a 10kV. ¿Cuáles de las siguientes proposiciones son falsas o verdaderas? La longitud de onda

del fotón más energético es 1,2A.
II)El fotón más energético es de 10k eV.
III) la energía cinética de los electrones veloces antes de colisionar con el ánodo es igual a
10k e V.
A)FFF B)FVV C)VVF
D)VFV E)VVV
Señale la veracidad (V) o falsedad (F) de las siguientes proposiciones:
I) Tanto la forma como la longitud de onda de corte del espectro continúo de los rayos X dependen de cual sea el material que se usa para frenar los electrones.
II)El mecanismo de generación de los rayos X pone en evidencia su naturaleza ondulatoria mientras que el fenómeno de difracción es prueba irrefutable de su comportamiento corpuscular.
III) Para obtener rayos X de mayor . Debe incrementarse el voltaje de operación del tubo.
A)FFF B)FFV C)FVF
D)VFF E)FVV
La energía de una radiación X es de 0, 6 Mev. Halle la energía del electrón de retroceso (en Mev) sabiendo que la longitud de onda de los rayos X aumentó un 20% después de la difusión de compton.
A)0,1 B)0,2 C)0,3 D)0,4 E)0,5
Al producirse el efecto compton la energía de un fotón incidente se distribuye por igual entre el fotón difuso y el electrón de retroceso. El ángulo de difusión es . Hallar la energía (en Mev) del fotón incidente.
A)0,12 B)0,18 C)0,26
D) 0,34 E) 0,45
Unos rayos X de longitud de onda sufren la difusión de compton y se desvian 90° Halle la energía (en Kev) del electrón de retroceso.
A)1,2 B)2,2 C)3, 2 D 4,2 E)6,2
Una partícula cargada es acelerada por una tensión de 200 v, si tiene una longitud de onda de Broglie de , ¿Cuál es su masa (en Kg.) si su carga es igual numéricamente a la del electrón? (como factor de 10-27)
A)3,21 B)3,02 C)2,03
D)2,73 E)1,67
Hallar la longitud de onda de De Broglie (en )para los electrones acelerados por una diferencia de potencial de 1,0 V.
A)12,3 B)31,2 C)13,2 D)23,1 E)32,1
Halle la longitud de onda de (en ) De Broglie para un haz de protones impulsados por una tensión de 100 V.
(Usar: m protón = 1,67 ×10-27 Kg.)
A)0,023 B)0,026 C)0,029
D)0,032 E)0,036
¿Qué velocidad relativa debe tener un cuerpo en movimiento para que la disminución relativa de su longitud sea igual al 25%?
(c = Velocidad de luz)
A)0,66 c B)0,75 c C)0,80 c
D)0,86 c E)0, 90 c