Efeutu fotoeléctricu

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Una diagrama ilustrando la emisión de los electrones d'una placa metálica, riquiendo de la enerxía que ye absorbida d'un fotón.
Heinrich Hertz, alredor de 1890, descubridor del efectu fotoeléctricu.

El efectu fotoeléctricu consiste na emisión d'electrones por un material al incidir sobre él una radiación electromagnético (lluz visible o ultravioleta, polo xeneral).[1] Dacuando inclúyense nel términu otros tipos d'interacción ente la lluz y la materia:

L'efectu fotoeléctricu foi descubiertu y descritu por Heinrich Hertz, en 1887, al reparar que l'arcu que salta ente dos electrodos conectaos a alta tensión algama distancies mayores cuando s'alluma con lluz ultravioleta que cuando se dexa na escuridá. La esplicación teórica foi fecha por Albert Einstein, quien publicó en 1905 el revolucionariu artículu “Heurística de la xeneración y conversión de la lluz”, basando la so formulación de la fotoelectricidá nuna estensión del trabayu sobre los cuantos de Max Planck. Más tarde Robert Andrews Millikan pasó diez años esperimentando pa demostrar que la teoría de Einstein nun yera correcta, pa finalmente concluyir que sí lo yera. Eso dexó que Einstein y Millikan fueren galardonaos con Premiu Nobel en 1921 y 1923, respectivamente.

Podría dicise que l'efectu fotoeléctricu ye lo opuesto a los rayos X, una y bones l'efectu fotoeléctricu indica que los fotones pueden tresferir enerxía a los electrones. Los rayos X (nun se sabía la naturaleza de la so radiación, d'ende la incógnita "X") son el tresformamientu nun fotón de toa o parte de la enerxía cinética d'un electrón en movimientu. Esto afayóse de casualidá primero que se dieren a conocer los trabayos de Planck y Einstein (anque nun s'entendió entós).

Introducción[editar | editar la fonte]

Célula fotoeléctrica onde "1" ye la fonte llumínica, "2" ye'l cátodu y "3", l'ánodu.

Los fotones tienen una enerxía característica determinada pola frecuencia d'onda de la lluz. Si un átomu absuerbe enerxía d'un fotón y tien más enerxía que la necesaria pa espulsar un electrón del material y amás tien una trayectoria empobinada escontra la superficie, entós l'electrón puede ser espulsáu del material. Si la enerxía del fotón ye demasiáu pequena, l'electrón ye incapaz d'escapar de la superficie del material. Los cambeos na intensidá de la lluz nun modificar la enerxía de los sos fotones, tan solo el númberu d'electrones que pueden escapar de la superficie sobre la qu'incide y por tantu la enerxía de los electrones emitíos nun depende de la intensidá de la radiación que-y llega, sinón de la so frecuencia. Si'l fotón ye absorbíu, parte de la enerxía utilizar pa lliberar del átomu y el restu contribúi a dotar d'enerxía cinética a la partícula llibre.

En principiu, tolos electrones son susceptibles de ser emitíos por efectu fotoeléctricu. En realidá los que más salen son los que precisen menos enerxía pa ser espulsaos y, d'ellos, los más numberosos.

Nun aislante (dieléctricu), los electrones más enerxéticos atópase na banda de valencia. Nun metal, los electrones más enerxéticos tán na banda de conducción. Nun semiconductor de tipu N, son los electrones de la banda de conducción los que son más enerxéticos. Nun semiconductor de tipu P tamién, pero hai bien pocos na banda de conducción. Asina que nesi tipu de semiconductor hai que tener en cuenta los electrones de la banda de valencia.

A la temperatura ambiente, los electrones más enerxéticos atópense cerca del nivel de Fermi (salvu nos semiconductores intrínsecos nos cualos nun hai electrones cerca del nivel de Fermi). La enerxía qu'hai que dar a un electrón pa llevalo dende'l nivel de Fermi hasta l'esterior del material llámase función de trabayu, y la frecuencia mínima necesaria, de radiación incidente, pa sacar un electrón del metal, recibe'l nome de frecuencia umbral. El valor d'esa enerxía ye bien variable y depende del material, estáu cristalín y, sobremanera, de les últimes capes atómiques qu'anubren la superficie del material. Los metales alcalinos (sodiu, calciu, cesio, etc.), presenten les más baxes funciones de trabayu. Entá ye necesariu que les superficies tean llimpies a nivel atómicu. Una de les mayores dificultaes nos esperimentos de Millikan yera qu'había que fabricar les superficies de metal nel vacíu.

Esplicación[editar | editar la fonte]

Los fotones del rayu de lluz tienen una enerxía característica determinada pola frecuencia de la lluz. Nel procesu de fotoemisión, si un electrón absuerbe la enerxía d'un fotón y esti postreru tien más enerxía que la función de trabayu, l'electrón ye arrincáu del material. Si la enerxía del fotón ye demasiáu baxa, l'electrón nun puede escapar de la superficie del material.

Aumentar la intensidá del fexe nun camuda la enerxía de los fotones constituyentes, solo camuda'l númberu de fotones. Arriendes d'ello, la enerxía de los electrones emitíos nun depende de la intensidá de la lluz, sinón de la enerxía de los fotones.

Los electrones pueden absorber enerxía de los fotones cuando son irradiaos, pero siguiendo un principiu de "tou o nada". Tola enerxía d'un fotón tien de ser absorbida y utilizada pa lliberar un electrón d'un enllaz atómicu, o si non la enerxía ye re-emitida. Si la enerxía del fotón ye absorbida, una parte llibera al electrón del átomu y el restu contribúi a la enerxía cinética del electrón como una partícula llibre.

Einstein nun se proponía estudiar les causes del efectu nel que los electrones de ciertos metales, por cuenta de una radiación lluminoso, podíen abandonar el metal con enerxía cinética. Intentaba esplicar el comportamientu de la radiación, qu'obedecía a la intensidá de la radiación incidente, al conocese la cantidá d'electrones qu'abandonaba'l metal, y a la frecuencia de la mesma, que yera proporcional a la enerxía qu'impulsaba a diches partícules.

Lleis de la emisión fotoeléctrica[editar | editar la fonte]

  1. Pa un metal y una frecuencia de radiación incidente daos, la cantidá de fotoelectrones emitíos ye directamente proporcional a la intensidá de lluz incidente.[2]
  2. Pa cada metal dao, esiste una cierta frecuencia mínima de radiación incidente debaxo de la cual nengún fotoelectrón puede ser emitíu. Esta frecuencia llámase frecuencia de corte, tamién conocida como "Frecuencia Umbral".
  3. Percima de la frecuencia de corte, la enerxía cinética máxima del fotoelectrón emitíu ye independiente de la intensidá de la lluz incidente, pero depende de la frecuencia de la lluz incidente.
  4. La emisión del fotoelectrón realízase instantáneamente, independientemente de la intensidá de la lluz incidente. Esti fechu se contrapone a la teoría Clásica:la Física Clásica esperaría qu'esistiera un ciertu retrasu ente l'absorción d'enerxía y l'emisión del electrón, inferior a un nanosegundo.

Formulación matemática[editar | editar la fonte]

P'analizar l'efectu fotoeléctricu cuantitativamente utilizando'l métodu deriváu por Einstein ye necesariu plantegar les siguientes ecuaciones:

Enerxía d'un fotón absorbíu = Enerxía necesaria pa lliberar 1 electrón + enerxía cinética del electrón emitíu.

Algebraicamente:

,

que puede tamién escribise como :.

onde h ye la constante de Planck, f0 ye la frecuencia de corte o frecuencia mínima de los fotones por que tenga llugar l'efectu fotoeléctricu, Φ ye la función de trabayu, o mínima enerxía necesaria pa llevar un electrón del nivel de Fermi al esterior del material y Yk ye la máxima enerxía cinética de los electrones que se repara esperimentalmente.

  • Nota: Si la enerxía del fotón (hf) nun ye mayor que la función de trabayu (Φ), nengún electrón va ser emitíu. Si los fotones de la radiación qu'inciden sobre'l metal tienen una menor enerxía que la de función de trabayu, los electrones del material nun llogren abonda enerxía como pa emitise de la superficie metálica.

En dellos materiales esta ecuación describe'l comportamientu del efectu fotoeléctricu de manera tan solo averada. Esto ye asina porque l'estáu de les superficies nun ye perfectu (contaminación non uniforme de la superficie esterna).

Historia[editar | editar la fonte]

Heinrich Hertz[editar | editar la fonte]

Les primeres observaciones del efectu fotoeléctricu fueron llevaes a cabu por Heinrich Hertz, en 1887, nos sos esperimentos sobre la producción y recepción d'ondes electromagnétiques. El so receptor consistía nuna bobina na que podía producise una chispa como productu de la recepción d'ondes electromagnétiques. Pa reparar meyor la chispa Hertz zarró'l so receptor nuna caxa negra. Sicasí'l llargor máximu de la chispa amenorgar nesti casu comparada coles observaciones de chispes anteriores. N'efectu l'absorción de lluz ultravioleta facilitaba'l saltu de los electrones y l'intensidá de la chispa eléctrica producida nel receptor. Hertz publicó un artículu coles sos resultaos ensin intentar esplicar el fenómenu reparáu.

Joseph John Thomson[editar | editar la fonte]

En 1897, el físicu británicu Joseph John Thomson investigaba los rayos catódicos. Influyíu polos trabayos de James Clerk Maxwell, Thomson dedució que los rayos catódicos consistíen d'un fluxu de partícules cargaes negativamente a los que llamó corpúsculos y agora conocemos como electrones.

Thomson utilizaba una placa metálica zarrada nun tubu de vacíu como cátodu esponiendo esti a lluz de distintu llargor d'onda. Thomson pensaba que'l campu electromagnético de frecuencia variable producía resonancies col campu eléctrico atómicu y que si estes algamaben una amplitú abonda podía producise la emisión d'un "corpúsculu" subatómicu de carga eléctrica y polo tanto'l pasu de la corriente eléctrica.

La intensidá d'esta corriente eléctrica variaba cola intensidá de la lluz. Medríes mayores de la intensidá de la lluz producíen medríes mayores de la corriente. La radiación de mayor frecuencia producía la emisión de partícules con mayor enerxía cinética.

Philipp Lenard[editar | editar la fonte]

En 1902 Philipp Lenard realizó observaciones del efectu fotoeléctricu nes que se ponía de manifiestu la variación d'enerxía de los electrones cola frecuencia de la lluz incidente.

La enerxía cinética de los electrones podía midise a partir de la diferencia de potencial necesaria pa frenalos nun tubu de rayos catódicos. La radiación ultravioleta riquía por casu potenciales de frenáu mayores que la radiación de mayor llargor d'onda. Los esperimentos de Lenard refundiaben datos namái cualitativos daes les dificultaes del equipu instrumental col cual trabayaba.

Cuantos de lluz de Einstein[editar | editar la fonte]

En 1905, el mesmu añu que formuló la so teoría de la relatividá especial, Albert Einstein propunxo una descripción matemática d'esti fenómenu que paecía funcionar correchamente y na que la emisión d'electrones yera producida pola absorción de cuantos de lluz que más tarde seríen llamaos fotones. Nun artículu tituláu "Un puntu de vista heurísticu sobre la producción y tresformamientu de la lluz" amosó cómo la idea de partícules discretes de lluz podía esplicar l'efectu fotoeléctricu y la presencia d'una frecuencia característica pa cada material per debaxo de la cual nun se producía nengún efectu. Por esta esplicación del efectu fotoeléctricu Einstein recibiría'l Premiu Nobel de Física en 1921.

Según les investigaciones de Einstein, la enerxía con que los electrones escapaben del cátodu allumáu aumentaba linealmente cola frecuencia de la lluz incidente, siendo independiente de la intensidá de llume. Sosprendentemente esti aspeutu nun se reparara n'esperiencies anteriores sobre l'efectu fotoeléctricu. La demostración esperimental d'esti aspeutu llevar a cabu en 1915 el físicu estauxunidense Robert Andrews Millikan.

Dualidá onda-corpúsculu[editar | editar la fonte]

Artículu principal: Dualidá onda-corpúsculu

L'efectu fotoeléctricu foi unu de los primeros efectos físicos que punxo de manifiestu la dualidá onda-corpúsculo característica de la mecánica cuántica. La lluz pórtase como ondes pudiendo producir interferencies y difracción como nel esperimentu del doble rendija de Thomas Young, pero intercambia enerxía de forma discreta en paquetes d'enerxía, fotones, que la so enerxía depende de la frecuencia de la radiación electromagnético. Les idees clásiques sobre l'absorción de radiación electromagnético por un electrón suxuríen que la enerxía ye absorbida de manera continua. Esti tipu d'esplicaciones atópase en llibros clásicos como'l llibru de Millikan sobre los electrones o l'escritu por Compton y Allison sobre la teoría y esperimentación con rayos X. Estes idees fueron rápido reemplazaes tres la esplicación cuántica d'Albert Einstein.

Efectu fotoeléctricu na actualidá[editar | editar la fonte]

L'efectu fotoeléctricu ye la base de la producción de enerxía solar fotovoltaica. Esti principiu utilízase tamién pa la fabricación de célules utilizaes n'el detectores de llapada de les calderes de les grandes centrales termoeléctriques, según pa los sensores utilizaos nes cámares dixitales. Tamién s'utiliza en diodos fotosensibles tales como los que s'utilicen nes célules fotovoltaicas y en electroscopios o electrómetros. Na actualidá los materiales fotosensibles más utilizaos son, amás de los derivaos del cobre —agora en menor usu—, el siliciu, que produz corrientes eléctriques mayores.

L'efectu fotoeléctricu tamién se manifiesta en cuerpos espuestos a la lluz solar de forma enllargada. Por casu, les partícules de polvu de la superficie llunar adquieren carga positiva debíu al impactu de fotones. Les partícules cargaes se repelen mutuamente alzándose de la superficie y formando una tenue atmósfera. Los satélites espaciales tamién adquieren carga eléctrica positiva nes sos superficies allumaes y negativa nes rexones escurecíes, polo que ye necesariu tener en cuenta estos efectos d'acumuladura de carga nel so diseñu.

Ver tamién[editar | editar la fonte]

Referencies[editar | editar la fonte]

Enllaces esternos[editar | editar la fonte]



Efecto fotoeléctrico