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Balearic PAU Physics: Física cuántica: fotones, efecto fotoeléctrico y Bohr

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Física cuántica: fotones, efecto fotoeléctrico y Bohr

El bloque de física cuántica evalúa el efecto fotoeléctrico, la hipótesis de De Broglie y el modelo de Bohr. La PAU balear suele pedir la energía del fotón, el potencial de frenado o la longitud de onda asociada a un electrón.

Cuantos de luz y efecto fotoeléctrico

  • La energía de un fotón es E = h·f = h·c/λ, con h = 6,63×10⁻³⁴ J·s. Resulta útil h·c ≈ 1,24×10⁻⁶ eV·m = 1240 eV·nm.
  • En el efecto fotoeléctrico: h·f = φ + E_k,máx, donde φ es la función de trabajo del metal. La frecuencia umbral cumple f₀ = φ/h; por debajo de ella no hay emisión, por mucha intensidad que se use.
  • El potencial de frenado V₀ cumple e·V₀ = E_k,máx. Aumentar la intensidad aumenta el número de fotoelectrones, no su energía máxima.

De Broglie y Bohr

  • Dualidad onda-partícula: λ = h/p = h/(m·v). Para un electrón, si la velocidad es relativista debe usarse p = γmv.
  • En el átomo de hidrógeno, E_n = −13,6/n² eV. Una transición emite o absorbe un fotón de energía h·f = |E_f − E_i|.
  • La relación de incertidumbre es Δx·Δp ≥ ħ/2, con ħ = h/(2π). No es un límite tecnológico, sino una propiedad cuántica.

Ejemplo resuelto

Luz de λ = 400 nm incide sobre un metal con φ = 2,00 eV. La energía del fotón es E = 1240/400 = 3,10 eV. La energía cinética máxima es E_k = 3,10 − 2,00 = 1,10 eV = 1,76×10⁻¹⁹ J. La velocidad máxima es v = √(2E_k/m) = √(2·1,76×10⁻¹⁹/9,11×10⁻³¹) ≈ 6,2×10⁵ m/s, y el potencial de frenado es 1,10 V.

Errores que cuestan puntos

  • Mezclar electronvoltios y julios: 1 eV = 1,60×10⁻¹⁹ J.
  • Confundir función de trabajo con frecuencia umbral.
  • Creer que aumentar la intensidad aumenta la energía cinética máxima.
  • Calcular una energía cinética negativa y no concluir que no hay emisión.
  • Aplicar el modelo de Bohr a átomos distintos del hidrógeno o usar longitudes de onda en nm sin convertir.