P38.1. ¿En qué situaciones los fotones se parecen a otras partículas, como los electrones? ¿En qué difieren? ¿Los fotones tienen masa? ¿Tienen carga eléctrica? ¿Se pueden acelerar? ¿Qué propiedades mecánicas tienen?
P38.2. Hay cierta probabilidad de que un solo electrón pueda absorber en forma simultánea a dos fotones idénticos de un láser de gran intensidad. ¿Cómo afectaría ese suceso la frecuencia de umbral y las ecuaciones de la sección 38.2? Explique su respuesta.
P38.3. De acuerdo con el modelo de fotón, la luz transporta su energía en paquetes llamados cuantos o fotones. ¿Por qué, entonces, no vemos una serie de destellos cuando vemos los objetos?
P38.4. ¿Espera que los efectos debidos a la naturaleza fotónica de la luz sean en general más importantes en el extremo del espectro electromagnético de las bajas frecuencias (ondas de radio) o en el de alta frecuencia (rayos x y rayos gamma)? ¿Por qué?
P38.5. Durante el efecto fotoeléctrico, la luz expulsa los electrones de los metales. ¿Por qué, entonces, los metales que tenemos en casa no pierden sus electrones cuando encendemos las luces?
P38.6. La mayor parte de las película fotográficas de blanco y negro (excepto algunas de aplicación especial) son menos sensibles a la luz roja que a la luz azul, y casi no tienen sensibilidad al infrarrojo. ¿Cómo se pueden explicar estas propiedades desde el punto de vista de los fotones?
P38.7. La piel humana es relativamente insensible a la luz visible, pero la radiación ultravioleta le puede causar quemaduras graves. ¿Tiene esto algo que ver con las energías de los fotones? Explique por qué.
P38.8. Explique por qué la figura 38.4 muestra que la mayor parte de los fotoelectrones tienen energías cinéticas menores que hf-\phi , y también explique por qué hay estas energías cinéticas menores.
P38.9. La figura 38.5 muestra que en un experimento de efecto fotoeléctrico, la fotocorriente i para valores positivos grandes de VAC tiene el mismo valor, sin importar cuál sea la frecuencia f de la luz (siempre que f sea mayor que f0, la frecuencia de umbral). Explique por qué.
P38.10. En un experimento que implica el efecto fotoeléctrico, si la intensidad de la luz incidente (con frecuencia más alta que la frecuencia de umbral) se reduce en un factor de 10 sin cambiar nada más, ¿cuál de los siguientes enunciados (si acaso alguno) es verdadero en relación con este proceso? a) Lo más probable es que el número de fotoelectrones se reduzca en un factor de 10. b) Lo más probable es que la energía cinética máxima de los fotoelectrones expulsados se reduzca en un factor de 10. c) Lo más probable es que la rapidez máxima de los fotoelectrones expulsados se reduzca en un factor de 10. d) Lo más probable es que la rapidez máxima de los fotoelectrones expulsados se reduzca en un factor de \sqrt{10}. e) El tiempo para que el primer fotoelectrón sea expulsado aumentará en un factor de 10.
P38.11. Los materiales llamados fósforos que cubren el interior de una lámpara fluorescente convierten la luz ultravioleta (de la descarga de vapor de mercurio en el interior del tubo) en luz visible. ¿Podríamos hacer también un fósforo que convierta la luz visible en luz ultravioleta? Explique su respuesta.
P38.12. En un experimento fotoeléctrico, ¿cuál de los siguientes cambios aumentará la energía cinética máxima de los fotoelectrones? a) Usar luz de mayor intensidad; b) usar luz de mayor frecuencia; c) usar luz de mayor longitud de onda; d) usar una superficie metálica con mayor función trabajo. En cada caso, justifique su respuesta.
P38.13. Las galaxias tienden a ser fuertes emisores de fotones Lyman-a (de la transición de n 02 a n = 1, en el hidrógeno atómico). Pero el medio intergaláctico, que es el gas muy enrarecido entre las galaxias, tiende a absorber los fotones Lyman-a. ¿Qué puede inferir, a partir de estas observaciones, acerca de la temperatura en estos dos ambientes? Explique su respuesta.
P38.14. Un átomo de litio doblemente ionizado (Li^{++}) es aquél al que se le quitaron dos de sus tres electrones. Los niveles de energía del ion restante, con un electrón, se relacionan en forma estrecha con los del átomo de hidrógeno. La carga nuclear del litio es +3e, y no sólo 1e. ¿Cómo se relacionan los niveles de energía del Li^{++} con los del hidrógeno? ¿Cómo se relaciona el radio del ion en el nivel fundamental con el del átomo de hidrógeno? Explique.
P38.15. La emisión de un fotón por un átomo aislado es un proceso con retroceso, en el que se conserva la cantidad de movimiento. Así, la ecuación (38.6) debe incluir una energía cinética de retroceso Kr, para el átomo. ¿Por qué en esta ecuación esta energía es despreciable?
P38.16. ¿Cómo se podrían medir los niveles de energía de un átomo en forma directa, esto es, sin recurrir a los análisis espectrales?
P38.17. Los elementos en estado gaseoso emiten espectros de líneas con longitudes de onda bien definidas. Pero los cuerpos sólidos calientes emiten siempre un espectro continuo, esto es, un traslape continuo de longitudes de onda. ¿Puede explicar esta diferencia de comportamientos?
P38.18. Al calentar un cuerpo a una temperatura muy alta y volverse autoluminoso, el color aparente de la radiación emitida pasa del rojo al amarillo, y por último al azul, a medida que aumenta la temperatura. ¿Por qué se desplaza el color? ¿Qué otros cambios suceden en el carácter de la radiación?
P38.19. La longitud de onda de máxima intensidad de las estrellas enanas rojas, que tienen temperaturas en su superficie de alrededor de 3000 K, es aproximadamente de 1000 nm, lo que está más allá del espectro visible. ¿Por qué, entonces, somos capaces de ver estas estrellas, y por qué no se ven rojas?
P38.20. Un fotón de frecuencia f experimenta una dispersión de Compton con un electrón en reposo, y se dispersa un ángulo \phi La frecuencia del fotón dispersado es f ^{\prime}. ¿Cómo se relaciona f ^{\prime} con f ? ¿Su respuesta depende de \phi ? Explique.
P38.21. ¿Puede haber dispersión de Compton con protones así como con electrones? Por ejemplo, suponga que se dirige un haz de rayos x hacia un objetivo de hidrógeno líquido. (Recuerde que el núcleo de hidrógeno consiste en un solo protón.) En comparación con la dispersión de Compton con electrones, ¿qué semejanzas y diferencias puede esperar? Explique.
P38.22. ¿Por qué los ingenieros y los científicos deben protegerse contra los rayos x producidos en equipos de alto voltaje?