Experiments a l’Any Internacional de la Ciència i la Tecnologia Quàntica 2025 (IYQ2025).
L’efecte fotoelèctric és un dels fenòmens claus que utilitzem per introduir l’alumnat de batxillerat en la Física Quàntica així que penso que paga la pena dedicar-li una entrada en aquest any. Com sabeu consisteix en què certs materials, generalment metalls, emeten electrons quan són il·luminats per llum d’una freqüència prou elevada.
El primer estudi experimental quantitatiu del fenomen el va realitzar sobre tot el físic nazi alemany Philipp Lenard al 1900 i l’explicació dels resultats de Lenard per Albert Einstein el 1905 van suposar l’inici de la Física Quàntica. Aquesta explicació que li va valer el Premi Nobel de Física el 1921 la va fer a l’article Un punt de vista heurístic sobre la producció i transformació de llum a la revista Annalen der Physik (l’enllaç dirigeix a un article del professor Enrique Ruiz-Trejo (2005) que comenta e inclou l’article de Einstein).
En aquesta entrada recullo algunes activitats pràctiques qualitatives que es poden fer al laboratori escolar sobre aquest experiment tan crucial:
Experiments qualitatius de l’efecte fotoelèctric
El descobriment del fenomen
La primera constància de l’efecte fotoelèctric es deu a Hertz quan estudiava la transmissió inalàmbrica de les ones electromagnètiques. Va adonar-se que en els seus experiments les guspires a l’emissor eren més fortes quan estaven il·luminades per llum ultraviolada, encara que no va saber donar una explicació.
L’extraordinari divulgador de la física César Sancho ens recrea l’experiencia al seu vídeo Descubrimiento accidental en clase de física. El muntatge és el de l’experiment de Hetz del que ja vam parlar com fer-ho en una altra entrada, més una llum ultraviolada tipus germicida, per les quals ens interessarem una mica més endavant.
L’experiment qualitatiu clàssic
El clàssic experiment qualitatiu de l’efecte fotoelèctric és el que ens mostra el professor Marco Fidel de la Universitat Nacional de Colombia a partir del minut 6,46 del vídeo Efecto fotoeléctrico (anteriorment explica què succeeix a l’experiment). L’experiment consisteix en descarregar un electroscopi carregat negativament al que s’ha col·locat a sobre una planxeta de cinc (Zn) o alumini (Al) ben fregades amb un paper de vidre per eliminar l’òxid que s’hagi pogut formar a la seva superfície. Per descarregar l’electroscopi s’apropa una llum ultraviolada (UV-C) a la làmina de cinc.
El mateix experiment però més elaborat i amb instrumental més car és el que ens mostren a Efecto fotoeléctrico des del Laboratori de Física Quàntica de la Universitat de València.
Làmpades ultraviolades
El zinc i l’alumini tenen respectivament unes freqüències llindars de 1,05·1015 Hz i 1,03·1015 Hz respectivament, el que vol dir unes longituds d’ona de Zn = 286 nm i Al = 290 nm. Per això els leds ultraviolats normals i les llanternes fetes amb ells o les llums negres que irradien a l’ultraviolat proper (390-400 nm) no són capaços de produir-les l’efecte fotoelèctric.
Per radiar l’experiment amb llum ultraviolada, César Sancho utilitza una làmpada UV-C germicida de 8 W que emet a 254 nm, és a dir que por arrancar electrons del cinc (286 nm). La munta una mica amagada per tal que la seva llum no li toqui a ell (ni a cap altre) ja que és molt energètica. Es poden comprar per internet a un preu d’uns 20 € però s’han de muntar amb una reactància i un encebador. Millor comprar tot el sistema ja fet, que no tindrà molta diferència de preu.
Una altra possibilitat per mi més interessant és comprar una làmpada germicida UV-C portàtil que, encara que tenen unes potències més baixes, emeten la llum amb una longitud d’ona d’un valor similar (havíem quedat que el que caracteritza l’efecte fotoelèctric és la freqüència llindar, no la intensitat, no? 😉); l’únic que s’han d’apropar més a les plaques metàl·liques fins a uns 3 a 5 cm. Una opció podria ser aquesta làmpada plegable a 253 Hz que anuncien a Amazon per 16€.
Una alternativa molt guapa a les làmpades ultraviolades la va proposar el gran divulgador Lluis Nadal (1986), quan era més difícil fer-se amb una, al protocol Efecte fotoelèctric. Construcció d’electroscopis. Consisteix en fer servir una tira de cinta de magnesi ja que mentre crema emet llum ultraviolada d’una freqüència prou gran per a produir l’efecte fotoelèctric. Ell mateix ens l’explica:
“Efecte fotoelèctric utilitzant cinta de magnesi:
Tornarem a passar el paper de vidre pel disc d’alumini.
La cinta de magnesi quan crema a l’aire dona llum ultraviolada amés de visible i per tant es pot utilitzar en comptes de la làmpada UV, encara que és més interessant de fer-ho de les dues maneres.
Repetint les mateixes operacions i encenent cada cop entre 5 i 10 cm de cinta de magnesi posada a uns 10 cm del disc, ens trobarem amb una sorpresa: el temps de descàrrega és el mateix tant si hem donat càrrega positiva com negativa a l’ electroscopi. Ens hem oblidat d’un detall important: una flama a prop de l’electroscopi, per exemple un llumí encès, el descarrega ràpidament degut a l’augment del nombre d’ions. Aquest efecte, que podem anomenar “tèrmic”, és més important que el fotoelèctric en el cas de la cinta de magnesi. Per tal d’evitar l’efecte tèrmic es tapa cada cop el disc (quan ja estigui carregat) amb un vas de precipitats: els ions no poden passar però els raigs ultraviolats sí (en part son absorbits pel vidre però passen en quantitat suficient). Si ho fem així veurem que l’electroscopi es descarrega quan té carrega negativa però no quan la te positiva. També podem demostrar que quan s’acosta un llumí encès al disc carregat i tapat amb el vas, no hi fa cap efecte.”
Efecte fotoelèctric amb una llum de neó
Un altre magnífic divulgador, Adolf Cortel, ja proposava al 2014 a l’article L’efecte fotoelèctric i la determinació de la constant de Planck de la malmesa revista Recursos de Física diverses formes de veure experimentalment l’efecte fotoelèctric. Una de les quals és la que ja hem vist de l’electroscopi i la làmpada germicida, però una altra de qualitativa utilitza una lampareta de neó petiteta.
A sota teniu un vídeo en el que César Sancho mostra com la làmpada de neó comença a lluir en ser il·luminada per un led ultraviolat si prèviament s’ha connectat a 70 V, que és el límit a partir del qual cap a baix les làmpades de neó deixen de fer llum.
La llum de neó i el led ultraviolat són molt barats als mercats asiàtics, el que és més difícil d’aconseguir és la font d’alimentació que ens proporcioni els 70 V que demana l’experiència, de les que ja vaig parlar en una entrada anterior, on feia suggeriments per fer-se amb una.
Efecte fotoelèctric (simulat) amb amb un led
Aquesta forma d’observar l’efecte fotoelèctric resulta molt senzilleta. Només es necessiten leds de colors, en particular un led que emeti llum verda o taroja però que tingui el cos transparent, una resistència d’uns mil ohms i un voltímetre. La idea inicial és de Giovanni Organtini (2017), professor de Física de la Universitat de Roma Sapienza, en Un facile esperimento sull’effetto fotoelettrico.
Un led té al seu interior dues parts: una més gruixuda i l’altra més fina, com es veu al dibuix i la fotografia de sota . La part més grossa serveix per suportar un cristall de material semiconductor, connectat elèctricament a l’altre elèctrode per un cable molt prim que quasi no es veu.
L’energia de la banda prohibida dels electrons del cristall semiconductor que porta un led verd o taronja correspon al color que emeten quan els electrons tornen. Per tant, si il·luminen el led verd amb llum verda o blava que emeten amb una energia una mica superior o igual, es mouran electrons pel led. Per contra, si il·luminem el led verd amb llum de menor energia, com és el vermell, o més gran, com el UV, no provocarem cap emissió d’electrons (o molt poca) ja que la resposta dels leds és bastant estreta al voltant del seu color.
Qualsevol electró que es promocioni principalment fluirà pels conductors del led (per tant no és ben bé un efecte fotoelèctric) i per tant generarà un corrent. Si connectem una resistència de uns mil ohms en sèrie amb el led i mesurem la diferència de potencial de tots dos amb un polímetre en la posició de milivolts, en principi podíem esperar trobar que mesurés zero perquè no hi ha generadors en aquest circuit, i en canvi mesura uns quants mV. El motiu és que la llum ambiental és suficient per produir l’efecte fotoelèctric. El cristall emet electrons que es canalitzen al circuit i provoquen un corrent que es revela a través de la caiguda de potencial a través de la resistència.
Es pot veure fàcilment que, augmentant la intensitat de la llum apropant el led a la finestra si és de dia, la diferència de potencial augmenta una mica. Si il·lumineu el led amb llum de làsers de diferents colors, podeu veure com la llum vermella no provoca cap fenomen, mentre que la llum verda sí. També funciona il·luminat el led amb la llum d’un telèfon mòbil com a la foto de sota ja que és una llum potent i el seu espectre inclou totes les freqüències visibles.
Per veure bé l’efecte la font de llum s’ha de situar per sobre de la part corba de dalt del led, de manera que la llum arribi directament al cristall semiconductor. Si il·lumineu el cos del led des del costat, l’experiment funciona malament perquè la llum no arriba al cristall que hauria de produir bé l’efecte fotoelèctric.
Efecte fotoelèctric (simulat) amb pintura fosforescent
La fluorescència es un fenomen en el qual una mostra absorbeix radiació electromagnètica i alhora aquesta substància emet radiació a una longitud d’ona més gran. Per exemple, la mostra podria absorbir radiació electromagnètica de color blau i emetre radiació amb una longitud d’ona característica del color verd. Una altra característica important de la fluorescència és que l’emissió de la llum producte de la fluorescència perdura només mentre la mostra és irradiada.
La fosforescència és la fluorescència en la qual el temps d’emissió al cessar la causa és més gran de 10-8 segons, encara que segons la substància (sempre sòlida) i les condicions ambientals aquesta emissió pot allargar-se, fins i tot dies. Les pintures fosforescents que venen de tots els colors per a treballs manuals necessiten per a ser excitades que se les il·lumini amb llum blava o millor ultraviolada.
Tant en la fluorescència com en la fosforescència no es produeix extracció d’electrons, no hi ha efecte fotoelèctric, només salts dels electrons entre bandes d’energia, però serveixen per il·lustrar molt bé que els salts energètics estan quantitzats, que per a que es produeixi la fosforescència es necessita un mínim de freqüència de la llum incident i que si no és el cas no es produirà per molt intensa que sigui la llum amb la que s’il·lumina la mostra.
Per a reproduir l’experiència que ens la explica Antxon Anta, un altre dels grans divulgadors de la física, a sota en un vídeo només es necessiten leds i/o punters làser de colors i unes cartolines que s’han de pintar amb pintura fosforescent.
La pintura fosforescent es pot comprar botigues de material escolar com Abacus, on també podeu comprar un pinzell. Jo me decanto per les llums led, que les podeu comprar solts o bé ja muntats com els que utilitzen en el vídeo, que son més senzills d’usar per l’alumnat. Les llums son barates i les podeu buscar a internet per “mini llavero led UV”.
Efecte fotoelèctric quantitatiu
Com ens explica Adolf Cortel a l’article L’efecte fotoelèctric i la determinació de la constant de Planck, del que ja hem parlat, es necessita equipament específic de cases comercials (com aquest de la casa 3BScientific per 1300 €, amb una fotocèl·lula de cesi) per a poder comprovar experimentalment i quantitativa l’efecte fotoelèctric. Si en disposeu, perfecte, sinó haureu de recórrer a simulacions.
Simulacions quantitatives de l’efecte fotoelèctric
Podem reproduir l’experiment i fer els càlculs pertinents amb simulacions per ordinador com la que ens ofereix en castellà (traducció José Miguel Zamarro) Walter Fendt en la seva pàgina web. El professor Luis A. Ladino ens proporciona en Efecto fotoeléctrico un petit manual per utilitzar la simulació i agafar dades con si estiguéssim al laboratori.
També podeu utilitzar la simulació sobre l’efecte fotoelèctric d’Educaplus, una web del professor de Física i Química Jesús Peñas, que també inclou les instruccions per a fer els càlculs de la longitud d’ona mínima o la funció de treball, per exemple.
Experimentació lliure 