Efecte fotoeléctrico

Archiu:Photoelectric effect in a solid - diagram.svg

Diagrama ilustrant l'emissió d'electrons (en roig) d'una placa metàlica en rebre suficient energia transferida des dels fotons incidents (llínees ondulades).

Archiu:CAPS 0 CAPS 1

Heinrich Hertz al voltant de 1890, descobridor de l'efecte fotoeléctrico.

El efecte fotoeléctrico consistix en l'emissió d'electrons per un material en incidir sobre ell una radiació electromagnètica (llum visible o ultravioleta, en general). A voltes s'inclouen en el terme atres tipos d'interacció entre la llum i la matèria:

• Fotoconductividad: És l'aument de la conductivitat elèctrica de la matèria provocada per la llum. Descoberta per Willoughby Smith en el seleni cap a la mitat de el XIX.
• Efecte fotovoltaic: Transformació parcial de l'energia lumínica en energia elèctrica. La primera cèlula solar va ser fabricada per Charles Fritts en 1884. Estava formada per seleni recobert d'una fina capa d'or.

L'efecte fotoeléctrico va ser descobert i descrit per Heinrich Hertz, en 1887, en observar que l'arc que bota entre dos electrodos conectats a alta tensió alcança distàncies majors quan s'allumena en llum ultravioleta que quan es deixa en l'obscuritat.

L'explicació teòrica va ser feta per Albert Einstein, qui va publicar en 1905 el revolucionari artícul Heurística de la generació i conversió de la llum, basant la seua formulació de la fotoelectricidad en una extensió del treball sobre els quants de Max Planck. Més vesprada Robert Andrews Millikan va passar dèu anys experimentant, en l'intent de demostrar que la teoria d'Einstein no era correcta, per a finalment concloure que sí ho era. Això va permetre que Einstein i Millikan anaren guardonats en Premis Nobel en 1921 i 1923, respectivament.

Es podria dir que l'efecte fotoeléctrico és lo opost als rajos X, ya que l'efecte fotoeléctrico indica que els fotons poden transferir energia als electrons. Els rajos X (no se sabia la naturalea de la seua radiació, d'ahí l'incògnita "X") són la transformació en un fotó de tota o part de l'energia cinètica d'un electró en moviment. Açò es va descobrir casualment ans que es donaren a conéixer els treballs de Planck i Einstein (encara que no es va comprendre llavors).

Introducció

Archiu:Photoelectric cell ( CAPS 3 ).png

Cèlula fotoeléctrica a on "1" és la font lumínica, "2" és el càtodo i "3", l'ànodo.

Els fotons tenen una energia característica determinada per la freqüència d'ona de la llum. Si un àtom absorbix energia d'un fotó que té més energia que la necessària per a expulsar un electró del material i ademés posseïx una trayectòria dirigida cap a la superfície, llavors l'electró pot ser expulsat del material. Si l'energia del fotó és massa menuda, l'electró és incapaç d'escapar de la superfície del material. Els canvis en l'intensitat de la llum no modifiquen l'energia dels seus fotons, tan sol el número d'electrons que poden escapar de la superfície sobre la que incidix i per tant l'energia dels electrons emesos no depén de l'intensitat de la radiació que li aplega, sino de la seua freqüència. Si el fotó és absorbit, part de l'energia s'utilisa per a lliberar-ho de l'àtom i el restant contribuïx a dotar d'energia cinètica a la partícula lliure.

Tots els electrons són susceptibles de ser emesos per efecte fotoeléctrico, pero només ho fan els que necessiten menys energia per a ser expulsats de la seua òrbita.

En un aïllant (dielèctric), els electrons més energètics es troben en la banda de valència. En un metal, els electrons més energètics estan en la banda de conducció. En un semiconductor de tipo N, són els electrons de la banda de conducció els que són més energètics. En un semiconductor de tipo P també, pero hi ha molt pocs en la banda de conducció. Aixina que en eixe tipo de semiconductor cal tindre en conte els electrons de la banda de valència.

A la temperatura ambiente, els electrons més energètics es troben prop del nivell de Fermi (llevat en els semiconductors intrínsecs en els quals no hi ha electrons prop del nivell de Fermi). L'energia que cal donar a un electró per a dur-ho des del nivell de Fermi fins a l'exterior del material es diu funció de treball, i la freqüència mínima necessària, de radiació incident, per a traure un electró del metal, rep el nom de freqüència llindar. El valor d'eixa energia és molt variable i depén del material, estat cristalí i, sobretot, de les últimes capes atòmiques que recobrixen la superfície del material. Els metals alcalinos (sodi, calcio, cesi, etc.), presenten les més baixes funcions de treball. Encara és necessari que les superfícies estiguen netes a nivell atòmic. Una de les majors dificultats en els experiments de Millikan era que calia fabricar les superfícies de metal en el buit.

Explicació

Els fotons del raig de llum tenen una energia característica determinada per la freqüència de la llum. En el procés de fotoemisión, si un electró absorbix l'energia d'un fotó i este últim té més energia que la funció de treball, l'electró és arrancat del material. Si l'energia del fotó és massa baixa, l'electró no pot escapar de la superfície del material.

En aumentar l'intensitat del fes no canvia l'energia dels fotons constituents, solament canvia el número de fotons. En conseqüència, l'energia dels electrons emesos no depén de l'intensitat de la llum, sino de l'energia dels fotons.

Els electrons poden absorbir energia dels fotons quan són irradiados, pero seguint un principi de "tot o res". Tota l'energia d'un fotó deu ser absorbida i utilisada per a lliberar un electró d'un enllaç atòmic, o si no l'energia és reemitida. Si l'energia del fotó és absorbida, una part llibera a l'electró del àtom i el restant contribuïx a l'energia cinètica de l'electró com una partícula lliure.

Einstein no es proponia estudiar les causes de l'efecte en el que els electrons de certs metals, per una radiació lluminosa, podien abandonar el metal en energia cinètica. Intentava explicar el comportament de la radiació, que obedia a l'intensitat de la radiació incident, en conéixer-se la cantitat d'electrons que abandonava el metal, i a la freqüència de la mateixa, que era proporcional a l'energia que impulsava a dites partícules.

Lleis de l'emissió fotoeléctrica

1. Per a un metal i una freqüència de radiació incident donats, la cantitat de fotoelectrones emesos és directament proporcional a l'intensitat de llum incident.
2. Per a cada metal donat, existix una certa freqüència mínima de radiació incident baix de la qual cap fotoelectrón pot ser emés. Esta freqüència es diu freqüència de tall, també coneguda com "Freqüència Llindar".
3. Per damunt de la freqüència de tall, l'energia cinètica màxima del fotoelectrón emés és independent de l'intensitat de la llum incident, pero depén de la freqüència de la llum incident.
4. L'emissió del fotoelectrón es realisa casi instantàneament (10^-9 segs), independentment de l'intensitat de la llum incident. Este fet es contrapon a la teoria Clàssica: la Física Clàssica esperaria que existira un cert retart entre l'absorció d'energia i l'emissió de l'electró, inferior a un nanosegundo.