Efecto fotoeléctrico

En física , el efecto fotoeléctrico (EPE) designa principalmente la emisión de electrones por un material sometido a la acción de la luz . Por extensión, a veces agrupa todos los fenómenos eléctricos de un material provocados por la acción de la luz. A continuación, distinguiremos dos efectos: la expulsión de electrones del material (emisión fotoeléctrica) y una modificación de la conductividad del material ( fotoconductividad , efecto fotovoltaico cuando se implementa dentro de una célula fotovoltaica , efecto fotoelectroquímico , efecto fotorresistivo).

Cuando el EPE se manifiesta, toda la energía del fotón incidente se transmite al electrón en las capas profundas. Se requiere una cantidad mínima de energía para extraer el electrón del átomo, el exceso de energía se transmite al electrón en forma de energía cinética . La absorción parcial se caracteriza por la dispersión de Compton .

Historia

En 1839, Antoine Becquerel y su hijo Alexandre Edmond presentaron por primera vez un efecto fotoeléctrico. Su experimento permite observar el comportamiento eléctrico de electrodos sumergidos en un líquido modificado por la iluminación.

Fue entendido y presentado en 1887 por Heinrich Rudolf Hertz, quien publicó los resultados en la revista científica Annalen der Physik . Gracias al efecto fotoeléctrico, fue posible obtener rayos catódicos de baja energía cinética (que luego se interpretarán como un haz de electrones "lentos") para estudiar la propagación en el vacío; rayos que, al cambiar un campo eléctrico , podríamos refractar o ralentizar a voluntad, hasta el punto de aniquilar o incluso reflejar el rayo. Estas nuevas posibilidades pronto tuvieron multitud de aplicaciones técnicas, como la rectificación de la corriente alterna, la amplificación de señales débiles en TSF o la generación de ondas portadoras no atenuadas en transmisión por radio (1913).

Pero las mediciones realizadas sobre el efecto fotoeléctrico contradecían la teoría clásica de la emisión . De hecho, el valor del intervalo de tiempo necesario para la expulsión de electrones, obtenido mediante los cálculos de la mecánica newtoniana, fue mucho mayor que el valor experimental. Es esta contradicción la que inspiró a Einstein a interpretar este efecto fotoeléctrico.

Así, Albert Einstein fue el primero, en 1905, en ofrecer una explicación, utilizando el concepto de partícula de luz, ahora llamado fotón , y el de cuanto de energía introducido inicialmente por Max Planck en 1900 como parte de la explicación que él mismo propuso para la emisión del cuerpo negro . Einstein explicó que este fenómeno fue causado por la absorción de fotones , los cuantos de luz, durante la interacción del material con la luz. Esta explicación le valió el Premio Nobel de Física en 1921.

Definición

El efecto fotoeléctrico es un fenómeno físico durante el cual un material, generalmente metálico , emite electrones . Esto puede ocurrir cuando el material se expone a luz o radiación electromagnética de frecuencia suficientemente alta; este umbral de frecuencia, no previsto por la mecánica convencional, depende del material.

Hallazgos experimentales de emisión fotoeléctrica

Los electrones solo se emiten si la frecuencia de la luz es lo suficientemente alta y excede una frecuencia de corte llamada frecuencia de corte .
Esta frecuencia umbral depende del material y está directamente relacionada con la energía de enlace de los electrones que se pueden emitir.
El número de electrones emitidos por unidad de tiempo cuando se expone a la luz, que determina la intensidad de la corriente eléctrica, es proporcional a la intensidad de la fuente de luz.
La velocidad de los electrones emitidos no depende de la intensidad de la fuente de luz.
La energía cinética de los electrones emitidos depende linealmente de la frecuencia de la luz incidente.
El fenómeno de emisión fotoeléctrica ocurre en un tiempo extremadamente pequeño de menos de 10 -9 s después de la iluminación, lo que hace que el fenómeno sea casi instantáneo.

Interpretación y explicación

Este efecto no se puede explicar satisfactoriamente si se considera que la luz es una onda . La teoría aceptada en 1905 (antes del modelo de Einstein ), el electromagnetismo clásico de James Clerk Maxwell , permitió explicar la mayoría de los fenómenos ópticos ; pero si pensamos en la luz como una onda, aumentando su intensidad y esperando el tiempo suficiente, deberíamos ser capaces de proporcionar suficiente energía al material para que libere los electrones. Sin embargo, la experiencia demuestra que la intensidad de la luz no es el único parámetro y que la transferencia de energía que provoca la liberación de electrones solo puede tener lugar a partir de una determinada frecuencia.

La interpretación de Einstein, la absorción de un fotón, permitió explicar perfectamente todas las características de este fenómeno. Los fotones en la fuente de luz tienen una energía característica determinada por la frecuencia de la luz. Cuando un electrón del material absorbe un fotón y la energía de este último es suficiente, el electrón es expulsado; de lo contrario, el electrón no puede escapar del material. Como aumentar la intensidad de la fuente de luz no cambia la energía de los fotones sino solo su número, se comprende fácilmente que la energía de los electrones emitidos por el material no depende de la intensidad de la fuente de luz.

Después de la absorción del fotón por el átomo, el fotoelectrón emitido tiene una energía

$E_e = E_g-E_b$

donde está la energía de enlace del fotoelectrón y la energía del fotón absorbido. $E_b$ ${\ Displaystyle E_ {g}}$

El efecto fotoeléctrico domina a bajas energías, pero la sección transversal aumenta rápidamente con el número atómico Z:

$\ sigma _ {PE} = \ frac {Z ^ n} {{E_g} ^ {3.5}}$

donde varía de 4 a 5. $no$

En energías y números atómicos donde este proceso es importante, el electrón emitido se absorbe en una distancia muy corta de modo que toda su energía se almacena en el detector. Los rayos X que se emiten en la reorganización de la procesión electrónica como resultado de la emisión del electrón también se absorben en el medio.

En la literatura, "Física de la oncología radioterápica: un manual para profesores y estudiantes. EB Podgorsak", también es posible encontrar esta ecuación:

$\ sigma _ {PE} = \ frac {Z ^ 4} {{E_g} ^ {3}}$

Ecuación

La energía de un fotón se caracteriza por la fórmula , hipótesis planteada por Planck. es la energía del fotón (letra griega nu ) es la frecuencia y es la constante de Planck , que es 6,626 076 × 10 -34 J . s . Se puede observar que la energía del fotón es proporcional a la frecuencia y por tanto varía en función del color. $E = h \ nu$ $mi$ $\desnudo$ $h$

Discusión

La prueba de Einstein se basa en la hipótesis de electrones unidos a átomos independientes dentro de un metal. Ahora sabemos que los electrones forman un plasmón a la frecuencia de la onda electromagnética. Por tanto, el problema es complejo.

Aplicaciones

- Efecto fotoeléctrico externo: un tubo fotomultiplicador (PMT) es una aplicación directa de este efecto. El electrón creado por la radiación incidente se multiplica luego por un sistema de dinodos , con voltaje progresivo.

- Efecto fotoeléctrico interno: se produce en un semiconductor . Es la excitación de un electrón en la banda de conducción lo que generalmente da lugar a una corriente. Esto puede medirse para que sirva como detectores ( fotodiodo , celda fotoeléctrica ) o recolectarse para proporcionar electricidad ( celda fotovoltaica ).

Notas y referencias

H. Hertz, Annalen der Physik, 33, 1887, p. 983
Según Philip Lenard, Grosse Naturforscher: Eine Geschichte der Naturforschung in Lebenbeschreibungen , Heidelberg, JF Lehmann Verlag,1927( reimpresión 1942), "41. Heinrich Hertz"
Manjit Kumar ( trad. Inglés), La gran novela de la física cuántica: Einstein, Bohr y el debate sobre la naturaleza de la realidad , París, Flammarion,2012, 636 p. ( ISBN 978-2-08-128276-6 )
Por "sus servicios a la física teórica , y especialmente por su descubrimiento de la ley del efecto fotoeléctrico" (ver (en) Equipo editorial, " El Premio Nobel de Física 1921 " , Fundación Nobel ,2010(consultado el 15 de junio de 2010 ) :“ por sus servicios a la Física Teórica, y especialmente por su descubrimiento de la ley del efecto fotoeléctrico ”)
Museo de Historia de Berna