Práctica de cálculo de energía de ondas electromagnéticas

Ondas electromagnéticas

Si eres fanático de los cómics y los dibujos animados relacionados, los programas de televisión y las películas, eres consciente de un hombre que fue expuesto accidentalmente a los rayos gamma. Debido a esta exposición, se convierte en un monstruo verde cuando se enoja, ¡lo cual es una maravilla! Esta puede ser una gran historia, pero la exposición a los rayos gamma conduce a graves daños corporales, no poderes sobrehumanos.

Los rayos gamma tienen la mayor cantidad de energía de todas las ondas electromagnéticas. Antes de practicar el cálculo de cuánta energía poseen los rayos gamma y otras ondas electromagnéticas, repasemos los conceptos básicos sobre la radiación electromagnética.

Generación de ondas electromagnéticas

Un electrón vibrante genera una onda electromagnética , que son dos ondas perpendiculares entre sí. Una de las ondas es un campo eléctrico oscilante y la otra es un campo magnético oscilante. Cuanto más rápido vibre el electrón, menor será la longitud de onda (λ), pero la velocidad siempre es constante: la velocidad de la luz (3,0 x 10 8 m / s).

• B es el campo magnético oscilante
• E es el campo eléctrico oscilante
• c es la velocidad de la luz
• λ es la longitud de onda

La longitud de onda es la distancia entre los picos sucesivos de la ola (crestas) o entre los puntos bajos sucesivos de la ola (valles). La frecuencia es la cantidad de longitudes de onda que pasan por un cierto punto por segundo. La longitud de onda y la frecuencia tienen una relación inversa: a medida que una sube, la otra baja.

Hablemos de los diferentes tipos de ondas electromagnéticas. El espectro electromagnético es el rango de ondas electromagnéticas que van desde las longitudes de onda más cortas (rayos gamma) hasta las longitudes de onda más largas (ondas de radio).

Una regla general a seguir para determinar la energía de las ondas electromagnéticas es que cuanto más corta es la longitud de onda, mayor es la energía que posee.

• E es energía en julios (J)
• h es la constante de Planck (6.626 x 10 -34 julios-segundos (Js))
• f es la frecuencia en hercios (Hz), que es 1 / s

Practiquemos el uso de la ecuación de energía para determinar las energías de diferentes radiaciones electromagnéticas.

Ejemplo 1

Determine la energía asociada con un rayo X cuya frecuencia es 3 x 10 17 hercios.

La frecuencia está dada, por lo que todo lo que tenemos que hacer es conectarla junto con la constante de Planck en la ecuación de energía.

Hagamos otro …

Ejemplo 2

¿Cuánta energía está asociada con un microondas cuya frecuencia es de 1,7 GHz?

Para resolver esto, usamos la misma ecuación que antes, pero necesitamos convertir GHz a Hz. La G representa el prefijo giga , que es 10 9 .

Uno mas…

Ejemplo 3

¿Cuánta energía se asoció con el rayo gamma que golpeó a nuestro personaje de superhéroe si la frecuencia era 1 x 10 20 Hz?

Ecuación energética al rescate:

Efecto fotoeléctrico

El efecto fotoeléctrico es el fenómeno por el cual se expulsan electrones de la superficie de un metal cuando se ilumina con radiación electromagnética. Albert Einstein ganó el Premio Nobel por esto en 1921. Lo que descubrió es que la frecuencia de la radiación electromagnética que brilla sobre el metal determina si el metal emite electrones. La intensidad de la luz solo tuvo el efecto de que más electrones salieran de la superficie, no de que salieran de la superficie. Acabamos de aprender que la frecuencia es el factor que se usa para calcular la energía de la radiación electromagnética, por lo tanto, la energía de la radiación electromagnética es un factor común para determinar si se emiten electrones o no.

La frecuencia mínima que hará que un electrón sea expulsado de un metal si se le ilumina se llama función de trabajo (W). Cada metal tiene su propio valor de función de trabajo. Cualquier frecuencia mayor que la frecuencia de la función de trabajo hará que se emita el mismo número de electrones, pero con mayor energía cinética , que es la energía del movimiento.

El oro es un metal popular. Veamos qué energía y frecuencia mínima de radiación electromagnética se requieren para expulsar electrones del oro. La función de trabajo de Gold es 8,17 x 10-19 julios. Ahora aplicamos la ecuación de energía.

Esta frecuencia de radiación electromagnética está en el rango de la luz ultravioleta. Lo que esto significa es que si tiene alguna joya de oro y sale a la luz del sol, ¡los electrones salen volando de su oro!

Resumen de la lección

Las ondas electromagnéticas se generan al vibrar electrones. Tienen dos frentes de onda que son perpendiculares entre sí. Uno es un campo eléctrico oscilante y el otro es un campo magnético oscilante. La longitud de onda de una onda electromagnética es la distancia de cresta a cresta, o de valle a valle, medida en metros. Su frecuencia está inversamente relacionada con su longitud de onda y es el número de longitudes de onda que pasan por un punto por segundo medido en hercios (Hz).

El espectro electromagnético es el rango de ondas electromagnéticas desde las longitudes de onda más pequeñas (rayos gamma) hasta las longitudes de onda más largas (ondas de radio). La energía asociada con una onda electromagnética viene dada por la constante de Planck (6,626 x 10 -34 Js) multiplicada por su frecuencia.

El efecto fotoeléctrico es el fenómeno por el cual ciertas frecuencias de luz que brillan sobre los metales pueden provocar la expulsión de electrones de la superficie del metal. Cada metal tiene una energía mínima requerida para la expulsión de electrones, que es la función de trabajo . Aumentar la intensidad de la radiación electromagnética más allá de la función de trabajo de un metal hará que se expulse el mismo número de electrones, pero a energías cinéticas más altas , que es la energía del movimiento. La intensidad de la luz solo hace que se expulsen más electrones, pero solo si se expulsan en primer lugar.