19. El Efecto Fotoeléctrico

El efecto fotoeléctrico es la emisión de electrones cuando los metales son irradiados con una radiación electromagnética de frecuencia superior a una dada, llamada frecuencia umbral.

Descripción y Evidencias Experimentales

Los primeros experimentos se realizaron irradiando el cátodo de un circuito eléctrico. En dicho cátodo se colocaban diferentes metales. Se observó lo siguiente:

• a. La emisión de electrones comienza y cesa inmediatamente cuando comienza y cesa la irradiación sobre el cátodo metálico.
• b. La radiación debe tener una frecuencia superior a una concreta para cada metal para que se produzca emisión de electrones. Se denomina frecuencia umbral.
• c. Si la frecuencia de la radiación es la umbral, solo se produce emisión de electrones, pero estos no adquieren velocidad. Si se aumenta la frecuencia, aumenta la velocidad de los electrones.
• d. Por debajo de la frecuencia umbral no conseguimos arrancar electrones, por mucho que se aumente la intensidad.
• e. Para frecuencias superiores a la umbral, si se aumenta la intensidad de la lámpara, el resultado es la emisión de un mayor número de electrones, pero no una mayor velocidad.

Este fenómeno no tiene explicación si se considera la luz como una onda, porque en ese caso, la intensidad de la radiación debería haber influido en la velocidad de los electrones.

Explicación Cuántica

La energía que posee un haz de luz de determinada frecuencia depende de dos factores: en primer lugar, de la propia frecuencia. Esta es la energía característica de la radiación, la energía de uno de sus fotones. Sin embargo, un haz está formado por un gran número de fotones, así que la energía total del haz es la suma de las debidas a cada uno de los fotones: E haz = N · E fotón. La intensidad de la radiación está determinada por el número total de fotones que la componen.

Interpretación de Einstein del Efecto Fotoeléctrico

La radiación electromagnética no solo se emite, sino que se propaga y absorbe en forma de pequeños paquetes de energía. Cuando un fotón choca contra la superficie del metal, libera energía y esa energía es empleada por el electrón en vencer la fuerza que lo mantiene enlazado al metal y, si sobra, en adquirir velocidad.

Si la energía que lleva un fotón es inferior a la necesaria para arrancar el electrón, no habrá efecto fotoeléctrico. Si la energía del fotón es la umbral, se produce solo la emisión de electrones; si la energía del fotón es mayor que la umbral, la energía restante se convierte en energía cinética (Ec).

Cuanto más intenso es un haz de radiación, mayor es el número de fotones que impactan contra el metal y, por tanto, mayor el número de electrones emitidos; pero como el reparto energético es fotón-electrón, todos salen con la misma velocidad.

• W ext e- (Trabajo de extracción o función de trabajo): Energía mínima necesaria para extraer un electrón de un determinado metal.
• v0 (Frecuencia umbral): Frecuencia mínima que debe tener una radiación electromagnética para arrancar un electrón de determinado metal mediante efecto fotoeléctrico.

Experimentalmente se ha comprobado que el efecto fotoeléctrico no solo se produce al irradiar el cátodo (polo negativo), sino también cuando irradiamos el ánodo. En este caso, el campo creado entre los polos tiende a desplazar los electrones en sentido opuesto al adquirido por efecto fotoeléctrico. Aumentando la diferencia de potencial se puede conseguir frenar a los electrones. De esta manera se mide cuál es la energía cinética máxima adquirida por efecto fotoeléctrico, teniendo en cuenta la conversión en energía cinética de la variación de energía potencial.

20. Fenómeno de la Radiactividad Natural

Definición de Radiactividad Natural

Es el proceso por el cual los núcleos atómicos de ciertas sustancias emiten radiación de manera espontánea y se transforman en núcleos de elementos diferentes en un estado de menor energía.

Emisión de Partículas Alfa, Beta y Gamma

• Las partículas alfa son núcleos de helio. Son partículas cargadas positivamente. Tienen alto poder ionizante pero poco poder de penetración. Pueden ser detenidas por un papel o la piel humana.
• Las partículas beta son partículas negativas idénticas a los electrones. Su poder de penetración es superior al de las partículas alfa, pero pueden ser detenidas por una lámina de aluminio. Su poder de ionización es inferior al de las partículas alfa. El electrón desprendido no pertenece a la corteza del átomo; procede del núcleo como consecuencia de la interacción nuclear débil. Un neutrón se convierte en un protón con la consecuente formación de un electrón y un antineutrino.
• Los rayos gamma son radiación electromagnética y por ello no se desvían al atravesar un campo eléctrico. Tienen el menor poder de ionización pero el mayor poder de penetración. Para detenerla son necesarios bloques de hormigón. Es muy peligrosa; sus consecuencias son devastadoras para los seres vivos ya que puede alterar el material genético.

Leyes de Soddy-Fajans

• Primera ley: Cuando un núclido emite una partícula alfa, se transforma en otro núclido cuyo número atómico desciende en dos unidades y su número másico en cuatro.
• Segunda ley: Cuando un núclido emite una partícula beta, se transforma en otro núclido cuyo número atómico aumenta en una unidad y su número másico no varía.
• Tercera ley: Cuando un núclido emite radiación gamma, sigue siendo el mismo núclido pero en un estado energético diferente.

Cinética de Desintegración Radiactiva

La desintegración de una especie radiactiva es un proceso espontáneo que se desarrolla al azar y no está influenciado por factores externos. Las leyes que describen la desintegración radiactiva no son casuales sino estadísticas. En una muestra de isótopos radiactivos no se puede predecir cuándo se descompondrá un núcleo concreto, pero sí se puede determinar experimentalmente la velocidad de desintegración de la muestra.

Se puede comprobar que siempre se tarda el mismo tiempo en reducir una muestra a su mitad. Por eso mismo, el número total de núcleos desintegrados en cada intervalo es cada vez menor. Se llama actividad radiactiva (A) al número de núclidos que se desintegran por unidad de tiempo. Su valor depende del tipo de núclido y del número de núclidos presentes. Se denomina periodo de semidesintegración (T1/2) al tiempo que tarda en desintegrarse la mitad de los núcleos que había en la muestra.

22. Fusión Nuclear

El Proceso de Fusión

Es el proceso que tiene lugar cuando dos o más núcleos ligeros dan lugar a otro más pesado y una o más partículas o radiación gamma. Las reacciones de fusión tienen lugar con pérdida de masa. La masa de los productos es inferior a la de los reactivos. Ese defecto de masa se convierte en energía según la ecuación de Einstein. De ahí la gran cantidad de energía liberada por estos procesos.

La fusión requiere energía muy alta para que los núcleos superen la repulsión eléctrica y lleguen a unirse al actuar la fuerza nuclear fuerte. La fusión nuclear es un fenómeno que se produce de forma natural en las estrellas. El Sol es una gran central termonuclear de fusión en la que se produce la síntesis de helio a partir de hidrógeno.

Aplicaciones y Tecnología

Centrales

En la fusión nuclear se alcanzan temperaturas extremadamente altas. Esto limita su aplicación para usos pacíficos, ya que no se dispone de un receptáculo apropiado para llevarla a cabo. Además, a esas temperaturas la materia se halla en estado de plasma, donde todos los átomos han perdido sus electrones. Una manera de contener el plasma podría ser un confinamiento magnético. Si se lograra desarrollar una tecnología apropiada, la fusión nuclear podría ser una fuente de energía interesante porque utiliza elementos muy extendidos en la naturaleza y no se generan apenas residuos radiactivos.

Bombas

En la bomba de hidrógeno, la energía desprendida en el proceso previo de fisión sirve para activar la reacción de fusión del deuterio y el tritio.