Efecto fotoeléctrico

Emisión de electrones cuando la luz incide sobre un material.

Fotoemisión de electrones desde una placa metálica acompañada de absorción de cuantos de luz – fotones.

El efecto fotoeléctrico es la emisión de electrones de un material provocada por la radiación electromagnética ( luz ). Los electrones emitidos de esta manera se llaman fotoelectrones. El fenómeno se estudia en física de la materia condensada , estado sólido y química cuántica para hacer inferencias sobre las propiedades de átomos, moléculas y sólidos. El efecto ha encontrado uso en dispositivos electrónicos especializados en la detección de luz y la emisión de electrones en el momento preciso.

Los resultados experimentales no coinciden con el electromagnetismo clásico , que predice que las ondas de luz continuas transfieren energía a los electrones, que luego serían emitidos cuando acumulen suficiente energía. En teoría , una alteración en la intensidad de la luz cambiaría la energía cinética de los electrones emitidos, y una luz suficientemente tenue daría como resultado una emisión retrasada. En cambio, los resultados experimentales muestran que los electrones se desprenden sólo cuando la luz excede una cierta frecuencia , independientemente de la intensidad de la luz o la duración de la exposición. Debido a que un haz de baja frecuencia a alta intensidad no acumula la energía necesaria para producir fotoelectrones, como sería el caso si la energía de la luz se acumulara con el tiempo a partir de una onda continua, Albert Einstein propuso que un haz de luz no es una onda que se propaga. a través del espacio, sino un enjambre de paquetes de energía discretos, conocidos como fotones , término acuñado por Gilbert N. Lewis en 1926. ^[1]

La emisión de electrones de conducción de metales típicos requiere unos cuantos de luz de electronvoltios (eV), correspondientes a la luz visible o ultravioleta de longitud de onda corta. En casos extremos, las emisiones se inducen con fotones de energía cercana a cero, como en sistemas con afinidad electrónica negativa y la emisión de estados excitados, o unos pocos cientos de keV de fotones para los electrones del núcleo en elementos con un número atómico alto . ^[2] El estudio del efecto fotoeléctrico condujo a pasos importantes en la comprensión de la naturaleza cuántica de la luz y los electrones e influyó en la formación del concepto de dualidad onda-partícula . ^[3] Otros fenómenos en los que la luz afecta el movimiento de las cargas eléctricas incluyen el efecto fotoconductor , el efecto fotovoltaico y el efecto fotoelectroquímico .

Mecanismo de emisión

Los fotones de un haz de luz tienen una energía característica, llamada energía fotónica , que es proporcional a la frecuencia de la luz. En el proceso de fotoemisión, cuando un electrón dentro de algún material absorbe la energía de un fotón y adquiere más energía que su energía de enlace , es probable que sea expulsado. Si la energía del fotón es demasiado baja, el electrón no puede escapar del material. Dado que un aumento en la intensidad de la luz de baja frecuencia solo aumentará el número de fotones de baja energía, este cambio en intensidad no creará ningún fotón con suficiente energía para desalojar un electrón. Además, la energía de los electrones emitidos no dependerá de la intensidad de la luz entrante de una frecuencia determinada, sino sólo de la energía de los fotones individuales. ^{[ cita necesaria ]}

Mientras que los electrones libres pueden absorber cualquier energía cuando se irradian, siempre y cuando esto vaya seguido de una reemisión inmediata, como en el efecto Compton , en los sistemas cuánticos toda la energía de un fotón se absorbe, si la mecánica cuántica permite el proceso . o ninguno en absoluto. Parte de la energía adquirida se utiliza para liberar al electrón de su enlace atómico y el resto contribuye a la energía cinética del electrón como partícula libre. ^{[4] [5] [6]} Debido a que los electrones en un material ocupan muchos estados cuánticos diferentes con diferentes energías de enlace, y debido a que pueden sufrir pérdidas de energía en su salida del material, los electrones emitidos tendrán un rango de energías cinéticas. Los electrones de los estados más ocupados tendrán la mayor energía cinética. En los metales, esos electrones serán emitidos desde el nivel de Fermi .

Cuando el fotoelectrón se emite hacia un sólido en lugar de hacia el vacío, a menudo se utiliza el término fotoemisión interna , y la emisión al vacío se distingue como fotoemisión externa .

Observación experimental de la emisión fotoeléctrica.

Aunque la fotoemisión puede ocurrir en cualquier material, se observa más fácilmente en metales y otros conductores. Esto se debe a que el proceso produce un desequilibrio de carga que, si no se neutraliza con el flujo de corriente, da como resultado una barrera de potencial creciente hasta que la emisión cesa por completo. La barrera energética a la fotoemisión suele aumentar mediante capas de óxido no conductoras sobre superficies metálicas, por lo que la mayoría de los experimentos y dispositivos prácticos basados ​​en el efecto fotoeléctrico utilizan superficies metálicas limpias en tubos al vacío. El vacío también ayuda a observar los electrones ya que evita que los gases impidan su flujo entre los electrodos. ^{[ cita necesaria ]}

Como la luz solar, debido a la absorción de la atmósfera, no proporciona mucha luz ultravioleta, la luz rica en rayos ultravioleta solía obtenerse quemando magnesio o con una lámpara de arco . Actualmente predominan las lámparas de vapor de mercurio , las lámparas ultravioleta de descarga de gases nobles y las fuentes de plasma de radiofrecuencia , ^{[7] [8] [9]} los láseres ultravioleta [ ^10] y las fuentes de luz con dispositivos de inserción de sincrotrón ^[11] .

Esquema del experimento para demostrar el efecto fotoeléctrico. La luz monocromática filtrada de una determinada longitud de onda incide en el electrodo emisor (E) dentro de un tubo de vacío. El electrodo colector (C) está polarizado a un voltaje V _C que se puede configurar para atraer los electrones emitidos, cuando son positivos, o evitar que cualquiera de ellos llegue al colector cuando son negativos.

La configuración clásica para observar el efecto fotoeléctrico incluye una fuente de luz, un conjunto de filtros para monocromatizar la luz, un tubo de vacío transparente a la luz ultravioleta, un electrodo emisor (E) expuesto a la luz y un colector (C) cuyo voltaje V _C puede controlarse externamente. ^{[ cita necesaria ]}

Se utiliza un voltaje externo positivo para dirigir los electrones fotoemitidos hacia el colector. Si la frecuencia y la intensidad de la radiación incidente son fijas, la corriente fotoeléctrica I aumenta con el aumento del voltaje positivo, a medida que se dirigen cada vez más electrones hacia el electrodo. Cuando no se pueden recolectar fotoelectrones adicionales, la corriente fotoeléctrica alcanza un valor de saturación. Esta corriente sólo puede aumentar con el aumento de la intensidad de la luz. ^{[ cita necesaria ]}

Un voltaje negativo creciente impide que todos los electrones, excepto los de mayor energía, lleguen al colector. Cuando no se observa corriente a través del tubo , el voltaje negativo ha alcanzado el valor lo suficientemente alto como para frenar y detener los fotoelectrones más energéticos de energía cinética Kmax _. Este valor del voltaje de retardo se llama potencial de parada o potencial de corte V _o . ^[12] Dado que el trabajo realizado por el potencial de retardo al detener el electrón de carga e es eV _o , lo siguiente debe cumplir eV _o  =  K _máx.

La curva corriente-voltaje es sigmoidea, pero su forma exacta depende de la geometría experimental y de las propiedades del material del electrodo.

Para una superficie metálica determinada, existe una cierta frecuencia mínima de radiación incidente por debajo de la cual no se emiten fotoelectrones. Esta frecuencia se llama frecuencia umbral . Al aumentar la frecuencia del haz incidente, aumenta la energía cinética máxima de los fotoelectrones emitidos y la tensión de parada tiene que aumentar. El número de electrones emitidos también puede cambiar porque la probabilidad de que cada fotón dé como resultado un electrón emitido es función de la energía del fotón.

Un aumento en la intensidad de la misma luz monocromática (siempre que la intensidad no sea demasiado alta ^[13] ), que es proporcional al número de fotones que inciden en la superficie en un tiempo determinado, aumenta la velocidad a la que se expulsan los electrones. —la corriente fotoeléctrica I— pero la energía cinética de los fotoelectrones y el voltaje de parada siguen siendo los mismos. Para un metal determinado y una frecuencia de radiación incidente, la velocidad a la que se expulsan los fotoelectrones es directamente proporcional a la intensidad de la luz incidente.

El desfase de tiempo entre la incidencia de la radiación y la emisión de un fotoelectrón es muy pequeño, menos de 10 ⁻⁹ segundos. La distribución angular de los fotoelectrones depende en gran medida de la polarización (la dirección del campo eléctrico) de la luz incidente, así como de las propiedades cuánticas del material emisor, como las simetrías orbitales atómicas y moleculares y la estructura de bandas electrónicas de los sólidos cristalinos. En materiales sin orden macroscópico, la distribución de electrones tiende a alcanzar su punto máximo en la dirección de polarización de la luz linealmente polarizada. ^[14] La técnica experimental que puede medir estas distribuciones para inferir las propiedades del material es la espectroscopia de fotoemisión con resolución de ángulo .

Explicación teórica

Diagrama de la energía cinética máxima en función de la frecuencia de la luz sobre el zinc.

En 1905, Einstein propuso una teoría del efecto fotoeléctrico utilizando el concepto de que la luz consta de pequeños paquetes de energía conocidos como fotones o cuantos de luz. Cada paquete transporta energía que es proporcional a la frecuencia de la onda electromagnética correspondiente. La constante de proporcionalidad se conoce como constante de Planck . En el rango de energías cinéticas de los electrones que se eliminan de sus diferentes enlaces atómicos mediante la absorción de un fotón de energía , la energía cinética más alta es ${\displaystyle h\nu }$ ${\displaystyle \nu }$ ${\displaystyle h}$ ${\displaystyle h\nu }$ ${\displaystyle K_{\max }}$

$${\displaystyle K_{\max }=h\,\nu -W.}$$

función de trabajo^[15] ${\displaystyle W}$ ${\displaystyle \Phi }$ ${\displaystyle \varphi }$

$${\displaystyle W=h\,\nu _{o},}$$

$${\displaystyle K_{\max }=h\left(\nu -\nu _{o}\right).}$$

La energía cinética es positiva y es necesaria para que se produzca el efecto fotoeléctrico. ^[16] La frecuencia es la frecuencia umbral para el material dado. Por encima de esa frecuencia, la energía cinética máxima de los fotoelectrones, así como el voltaje de parada en el experimento, aumentan linealmente con la frecuencia y no dependen del número de fotones ni de la intensidad de la luz monocromática incidente. La fórmula de Einstein, por simple que fuera, explicaba toda la fenomenología del efecto fotoeléctrico y tuvo consecuencias de gran alcance en el desarrollo de la mecánica cuántica . ${\displaystyle \nu >\nu _{o}}$ ${\displaystyle \nu _{o}}$ ${\textstyle V_{o}={\frac {h}{e}}\left(\nu -\nu _{o}\right)}$

Fotoemisión de átomos, moléculas y sólidos.

Los electrones que están unidos en átomos, moléculas y sólidos ocupan cada uno de ellos distintos estados de energías de enlace bien definidas . Cuando los cuantos de luz entregan más que esta cantidad de energía a un electrón individual, el electrón puede ser emitido al espacio libre con un exceso de energía (cinética) que es mayor que la energía de enlace del electrón. La distribución de las energías cinéticas refleja así la distribución de las energías de enlace de los electrones en el sistema atómico, molecular o cristalino: un electrón emitido desde el estado con energía de enlace se encuentra con energía cinética . Esta distribución es una de las principales características del sistema cuántico y puede utilizarse para estudios posteriores en química y física cuánticas. ^{[ cita necesaria ]} ${\displaystyle h\nu }$ ${\displaystyle E_{B}}$ ${\displaystyle E_{k}=h\nu -E_{B}}$

Modelos de fotoemisión de sólidos.

Las propiedades electrónicas de los sólidos cristalinos ordenados están determinadas por la distribución de los estados electrónicos con respecto a la energía y el momento (la estructura de bandas electrónicas del sólido). Los modelos teóricos de fotoemisión de sólidos muestran que esta distribución se conserva, en su mayor parte, en el efecto fotoeléctrico. El modelo fenomenológico de tres pasos ^[17] para la excitación ultravioleta y de rayos X suaves descompone el efecto en estos pasos: ^{[18] [19] [20]}

1. Efecto fotoeléctrico interno en la mayor parte del material que es una transición óptica directa entre un estado electrónico ocupado y desocupado. Este efecto está sujeto a reglas de selección de la mecánica cuántica para las transiciones dipolares. El hueco que queda detrás del electrón puede dar lugar a una emisión de electrones secundarios, o el llamado efecto Auger , que puede ser visible incluso cuando el fotoelectrón primario no abandona el material. En los sólidos moleculares, los fonones se excitan en este paso y pueden ser visibles como líneas satélite en la energía final del electrón.
2. Propagación de electrones hacia la superficie en la que algunos electrones pueden dispersarse debido a interacciones con otros constituyentes del sólido. Los electrones que se originan más profundamente en el sólido tienen muchas más probabilidades de sufrir colisiones y emerger con energía y impulso alterados. Su camino libre de media es una curva universal que depende de la energía del electrón.
3. Los electrones escapan a través de la barrera superficial hacia estados del vacío similares a los de los electrones libres. En este paso, el electrón pierde energía en la cantidad de la función de trabajo de la superficie y sufre la pérdida de momento en la dirección perpendicular a la superficie. Debido a que la energía de enlace de los electrones en sólidos se expresa convenientemente con respecto al estado ocupado más alto en la energía de Fermi , y la diferencia con la energía del espacio libre (vacío) es la función de trabajo de la superficie, la energía cinética de los electrones emitidos de sólidos generalmente se escribe como . ${\displaystyle E_{F}}$ ${\displaystyle E_{k}=h\nu -W-E_{B}}$

Hay casos en los que el modelo de tres pasos no logra explicar las peculiaridades de las distribuciones de intensidad de los fotoelectrones. El modelo de un solo paso más elaborado ^[21] trata el efecto como un proceso coherente de fotoexcitación hacia el estado final de un cristal finito para el cual la función de onda es similar a la de un electrón libre en el exterior del cristal, pero tiene una envoltura en descomposición en el interior. ^[20]

Historia

Siglo 19

En 1839, Alexandre Edmond Becquerel descubrió el efecto fotovoltaico mientras estudiaba el efecto de la luz sobre las células electrolíticas . ^[22] Aunque no es equivalente al efecto fotoeléctrico, su trabajo sobre la energía fotovoltaica fue fundamental para mostrar una fuerte relación entre la luz y las propiedades electrónicas de los materiales. En 1873, Willoughby Smith descubrió la fotoconductividad en el selenio mientras probaba el metal por sus propiedades de alta resistencia junto con su trabajo con cables telegráficos submarinos. ^[23]

Johann Elster (1854-1920) y Hans Geitel (1855-1923), estudiantes en Heidelberg , investigaron los efectos producidos por la luz en cuerpos electrificados y desarrollaron las primeras células fotoeléctricas prácticas que podían usarse para medir la intensidad de la luz. ^{[24] [25] : 458} Dispusieron los metales respecto a su poder de descargar electricidad negativa: rubidio , potasio , aleación de potasio y sodio, sodio , litio , magnesio , talio y zinc ; para el cobre , el platino , el plomo , el hierro , el cadmio , el carbono y el mercurio los efectos con la luz ordinaria eran demasiado pequeños para ser mensurables. El orden de los metales para este efecto era el mismo que en la serie de Volta para la electricidad de contacto, siendo los metales más electropositivos los que daban el mayor efecto fotoeléctrico.

El electroscopio de pan de oro para demostrar el efecto fotoeléctrico. Cuando el electroscopio está cargado negativamente, hay un exceso de electrones y las hojas se separan. Si una luz de longitud de onda corta y alta frecuencia (como la luz ultravioleta obtenida de una lámpara de arco , quemando magnesio o usando una bobina de inducción entre terminales de zinc o cadmio para producir chispas) brilla sobre la tapa, el electroscopio se descarga y el las hojas caen flácidas. Sin embargo, si la frecuencia de las ondas de luz está por debajo del valor umbral para la tapa, las hojas no se descargarán, sin importar cuánto tiempo se dirija la luz hacia la tapa.

En 1887, Heinrich Hertz observó el efecto fotoeléctrico ^[26] e informó sobre la producción y recepción ^[27] de ondas electromagnéticas. ^[28] El receptor de su aparato consistía en una bobina con un explosor , donde se vería una chispa al detectar ondas electromagnéticas. Colocó el aparato en una caja oscura para ver mejor la chispa. Sin embargo, notó que la longitud máxima de la chispa se reducía dentro de la caja. Un panel de vidrio colocado entre la fuente de ondas electromagnéticas y el receptor absorbió la radiación ultravioleta que ayudó a los electrones a saltar a través del espacio. Cuando se retira, la longitud de la chispa aumentaría. No observó ninguna disminución en la longitud de la chispa cuando reemplazó el vidrio con cuarzo, ya que el cuarzo no absorbe la radiación ultravioleta. ^{[ cita necesaria ]}

Los descubrimientos de Hertz dieron lugar a una serie de investigaciones por parte de Wilhelm Hallwachs , ^{[29] [30]} Hoor, ^[31] Augusto Righi ^[32] y Aleksander Stoletov ^{[33] [34]} sobre el efecto de la luz, y especialmente de la luz ultravioleta. , sobre cuerpos cargados. Hallwachs conectó una placa de zinc a un electroscopio . Dejó que la luz ultravioleta incidiera sobre una placa de zinc recién limpiada y observó que la placa de zinc se descargaba si inicialmente estaba cargada negativamente, se cargaba positivamente si inicialmente no estaba cargada y se cargaba más positivamente si inicialmente estaba cargada positivamente. A partir de estas observaciones, concluyó que la placa de zinc emitía algunas partículas cargadas negativamente cuando se exponía a la luz ultravioleta.

En cuanto al efecto Hertz , los investigadores mostraron desde el principio la complejidad del fenómeno de la fatiga fotoeléctrica: la disminución progresiva del efecto observado en superficies metálicas frescas. Según Hallwachs, el ozono jugó un papel importante en este fenómeno ^[35] y la emisión estuvo influenciada por la oxidación, la humedad y el grado de pulido de la superficie. En ese momento no estaba claro si la fatiga estaba ausente en el vacío. ^{[ cita necesaria ]}

En el período comprendido entre 1888 y 1891, Aleksandr Stoletov realizó un análisis detallado del fotoefecto y los resultados se publicaron en seis publicaciones. ^[34] Stoletov inventó una nueva configuración experimental que era más adecuada para un análisis cuantitativo del fotoefecto. Descubrió una proporcionalidad directa entre la intensidad de la luz y la corriente fotoeléctrica inducida (la primera ley del fotoefecto o ley de Stoletov ). Midió la dependencia de la intensidad de la corriente fotoeléctrica con la presión del gas, donde encontró la existencia de una presión de gas óptima correspondiente a una fotocorriente máxima ; esta propiedad se utilizó para la creación de células solares . ^{[ cita necesaria ]}

Muchas sustancias, además de los metales, descargan electricidad negativa bajo la acción de la luz ultravioleta. GC Schmidt ^[36] y O. Knoblauch ^[37] elaboraron una lista de estas sustancias.

En 1897, JJ Thomson investigó la luz ultravioleta en los tubos Crookes . ^[38] Thomson dedujo que las partículas eyectadas, a las que llamó corpúsculos, eran de la misma naturaleza que los rayos catódicos . Estas partículas más tarde se conocieron como electrones. Thomson encerró una placa de metal (un cátodo) en un tubo de vacío y lo expuso a radiación de alta frecuencia. ^[39] Se pensaba que los campos electromagnéticos oscilantes hacían que el campo de los átomos resonara y, después de alcanzar una cierta amplitud, provocaban que se emitieran corpúsculos subatómicos y se detectara corriente. La cantidad de esta corriente variaba con la intensidad y el color de la radiación. Una mayor intensidad o frecuencia de radiación produciría más corriente. ^{[ cita necesaria ]}

Durante los años 1886-1902, Wilhelm Hallwachs y Philipp Lenard investigaron en detalle el fenómeno de la emisión fotoeléctrica. Lenard observó que una corriente fluye a través de un tubo de vidrio al vacío que encierra dos electrodos cuando la radiación ultravioleta incide sobre uno de ellos. Tan pronto como se detiene la radiación ultravioleta, la corriente también se detiene. Esto inició el concepto de emisión fotoeléctrica. El descubrimiento de la ionización de gases mediante luz ultravioleta fue realizado por Philipp Lenard en 1900. Como el efecto se producía a lo largo de varios centímetros de aire y producía un mayor número de iones positivos que negativos, era natural interpretar el fenómeno, como señala JJ Thomson. lo hizo, como un efecto Hertz sobre las partículas presentes en el gas. ^[28]

siglo 20

En 1902, Lenard observó que la energía de los electrones individuales emitidos era independiente de la intensidad de la luz aplicada. ^{[4] [40]} Esto parecía estar en desacuerdo con la teoría ondulatoria de la luz de Maxwell , que predecía que la energía de los electrones sería proporcional a la intensidad de la radiación.

Lenard observó la variación de la energía de los electrones con la frecuencia de la luz utilizando una potente lámpara de arco eléctrico que le permitió investigar grandes cambios de intensidad. Sin embargo, los resultados de Lenard fueron más cualitativos que cuantitativos debido a la dificultad de realizar los experimentos: los experimentos debían realizarse en metal recién cortado para que se observara el metal puro, pero se oxidaba en cuestión de minutos incluso en los vacíos parciales que había. usado. La corriente emitida por la superficie estaba determinada por la intensidad o brillo de la luz: al duplicar la intensidad de la luz se duplicaba el número de electrones emitidos desde la superficie. ^{[ cita necesaria ]}

La investigación inicial del efecto fotoeléctrico en gases realizada por Lenard ^[41] fue seguida por JJ Thomson ^[42] y luego, más decisivamente, por Frederic Palmer Jr. ^{[43] [44]} La fotoemisión de gases fue estudiada y mostró características muy diferentes a las de atribuido por primera vez por Lenard. ^[28]

En 1900, mientras estudiaba la radiación del cuerpo negro , el físico alemán Max Planck sugirió en su artículo "Sobre la ley de distribución de energía en el espectro normal" ^[45] que la energía transportada por las ondas electromagnéticas sólo podía liberarse en paquetes de energía. . En 1905, Albert Einstein publicó un artículo en el que avanzaba la hipótesis de que la energía luminosa se transporta en paquetes discretos cuantificados para explicar los datos experimentales del efecto fotoeléctrico. Einstein teorizó que la energía en cada cuanto de luz era igual a la frecuencia de la luz multiplicada por una constante, más tarde llamada constante de Planck . Un fotón por encima de una frecuencia umbral tiene la energía necesaria para expulsar un solo electrón, creando el efecto observado. Este fue un paso en el desarrollo de la mecánica cuántica . En 1914, las mediciones altamente precisas de Robert A. Millikan de la constante de Planck a partir del efecto fotoeléctrico respaldaron el modelo de Einstein, aunque una teoría corpuscular de la luz era para Millikan, en ese momento, "bastante impensable". ^[46] Einstein recibió el Premio Nobel de Física en 1921 por "su descubrimiento de la ley del efecto fotoeléctrico", ^[47] y Millikan recibió el Premio Nobel en 1923 por "su trabajo sobre la carga elemental de la electricidad y sobre la efecto fotoeléctrico". ^[48] ​​En la teoría de la perturbación cuántica de átomos y sólidos sobre los que actúa la radiación electromagnética, el efecto fotoeléctrico todavía se analiza comúnmente en términos de ondas; Los dos enfoques son equivalentes porque la absorción de fotones u ondas solo puede ocurrir entre niveles de energía cuantificados cuya diferencia de energía es la de la energía del fotón. ^{[49] [18]}

La descripción matemática de Albert Einstein de cómo el efecto fotoeléctrico era causado por la absorción de cuantos de luz se encontraba en uno de sus artículos Annus Mirabilis , titulado "Sobre un punto de vista heurístico sobre la producción y transformación de la luz". ^[50] El artículo proponía una descripción simple de los cuantos de energía y mostraba cómo explicaban el espectro de radiación del cuerpo negro. Su explicación en términos de absorción de cuantos discretos de luz coincidía con los resultados experimentales. Explicó por qué la energía de los fotoelectrones no dependía de la intensidad de la luz incidente . Este fue un salto teórico, pero al principio se resistió fuertemente al concepto porque contradecía la teoría ondulatoria de la luz que se derivaba naturalmente de las ecuaciones de electromagnetismo de James Clerk Maxwell y, más en general, el supuesto de la divisibilidad infinita de la energía en los sistemas físicos.

El trabajo de Einstein predijo que la energía de los electrones individuales expulsados ​​aumenta linealmente con la frecuencia de la luz. En ese momento no se había probado la relación exacta. En 1905 se sabía que la energía de los fotoelectrones aumenta al aumentar la frecuencia de la luz incidente y es independiente de la intensidad de la luz. Sin embargo, la forma del aumento no se determinó experimentalmente hasta 1914, cuando Millikan demostró que la predicción de Einstein era correcta. ^[5]

El efecto fotoeléctrico ayudó a impulsar el entonces emergente concepto de dualidad onda-partícula en la naturaleza de la luz. La luz posee simultáneamente las características de ondas y partículas, cada una de las cuales se manifiesta según las circunstancias. El efecto era imposible de entender en términos de la descripción ondulatoria clásica de la luz, ^{[51] [52] [53]} ya que la energía de los electrones emitidos no dependía de la intensidad de la radiación incidente. La teoría clásica predijo que los electrones "recogerían" energía durante un período de tiempo y luego serían emitidos. ^{[52] [54]}

Usos y efectos

Fotomultiplicadores

Fotomultiplicador

Se trata de tubos de vacío extremadamente sensibles a la luz con un fotocátodo recubierto en el interior de la envoltura. El fotocátodo contiene combinaciones de materiales como cesio, rubidio y antimonio especialmente seleccionados para proporcionar una función de trabajo baja, de modo que cuando se ilumina incluso con niveles de luz muy bajos, el fotocátodo libera electrones fácilmente. Por medio de una serie de electrodos (dínodos) a potenciales cada vez más altos, estos electrones se aceleran y aumentan sustancialmente en número mediante emisión secundaria para proporcionar una corriente de salida fácilmente detectable. Los fotomultiplicadores todavía se utilizan comúnmente cuando se deben detectar niveles bajos de luz. ^[55]

Sensores de imagen

Los tubos de las cámaras de vídeo en los primeros días de la televisión utilizaban el efecto fotoeléctrico; por ejemplo, el " Disector de imagen " de Philo Farnsworth utilizaba una pantalla cargada por el efecto fotoeléctrico para transformar una imagen óptica en una señal electrónica escaneada. ^[56]

Espectroscopia de fotoelectrones

Experimento de espectroscopía de fotoemisión con resolución de ángulo ( ARPES ). Una lámpara de descarga de helio ilumina la muestra con luz ultravioleta en un vacío ultraalto. El analizador de electrones hemisférico mide la distribución de los electrones expulsados ​​con respecto a la energía y el momento.

Debido a que la energía cinética de los electrones emitidos es exactamente la energía del fotón incidente menos la energía de unión del electrón dentro de un átomo, molécula o sólido, la energía de unión se puede determinar haciendo brillar una luz monocromática de rayos X o UV de una fuente conocida. energía y medir las energías cinéticas de los fotoelectrones. ^[18] La distribución de las energías de los electrones es valiosa para estudiar las propiedades cuánticas de estos sistemas. También se puede utilizar para determinar la composición elemental de las muestras. En el caso de los sólidos, se mide la energía cinética y la distribución del ángulo de emisión de los fotoelectrones para determinar completamente la estructura de bandas electrónicas en términos de las energías de enlace permitidas y los momentos de los electrones. Los instrumentos modernos para espectroscopia de fotoemisión con resolución angular son capaces de medir estas cantidades con una precisión superior a 1 meV y 0,1°. ^{[ cita necesaria ]}

Las mediciones de espectroscopia fotoelectrónica generalmente se realizan en un ambiente de alto vacío, porque los electrones serían dispersados ​​por las moléculas de gas si estuvieran presentes. Sin embargo, algunas empresas venden ahora productos que permiten la fotoemisión en el aire. La fuente de luz puede ser un láser, un tubo de descarga o una fuente de radiación sincrotrón . ^[57]

El analizador hemisférico concéntrico es un analizador de energía de electrones típico. Utiliza un campo eléctrico entre dos hemisferios para cambiar (dispersar) las trayectorias de los electrones incidentes en función de sus energías cinéticas.

Dispositivos de visión nocturna

Los fotones que golpean una fina película de metal alcalino o material semiconductor como el arseniuro de galio en un tubo intensificador de imágenes provocan la expulsión de fotoelectrones debido al efecto fotoeléctrico. Estos son acelerados por un campo electrostático donde chocan contra una pantalla recubierta de fósforo , convirtiendo los electrones nuevamente en fotones. La intensificación de la señal se logra mediante la aceleración de los electrones o aumentando el número de electrones mediante emisiones secundarias, como con una placa de microcanal . A veces se utiliza una combinación de ambos métodos. Se requiere energía cinética adicional para sacar un electrón de la banda de conducción y llevarlo al nivel del vacío. Esto se conoce como afinidad electrónica del fotocátodo y es otra barrera a la fotoemisión distinta de la banda prohibida, explicada por el modelo de banda prohibida . Algunos materiales, como el arseniuro de galio, tienen una afinidad electrónica efectiva que está por debajo del nivel de la banda de conducción. En estos materiales, todos los electrones que se mueven hacia la banda de conducción tienen suficiente energía para ser emitidos por el material, por lo que la película que absorbe los fotones puede ser bastante gruesa. Estos materiales se conocen como materiales de afinidad electrónica negativa. ^{[ cita necesaria ]}

Astronave

El efecto fotoeléctrico hará que las naves espaciales expuestas a la luz solar desarrollen una carga positiva. Esto puede ser un problema importante, ya que otras partes de la nave espacial están en sombras, lo que provocará que la nave desarrolle una carga negativa de los plasmas cercanos. El desequilibrio puede descargarse a través de componentes eléctricos delicados. La carga estática creada por el efecto fotoeléctrico es autolimitada, porque un objeto con mayor carga no cede sus electrones tan fácilmente como lo hace un objeto con menor carga. ^{[58] [59]}

polvo lunar

La luz del Sol que incide sobre el polvo lunar hace que éste se cargue positivamente por el efecto fotoeléctrico. El polvo cargado luego se repele y se eleva de la superficie de la Luna mediante levitación electrostática . ^{[60] [61]} Esto se manifiesta casi como una "atmósfera de polvo", visible como una fina neblina y manchas borrosas de rasgos distantes, y visible como un tenue resplandor después de que el sol se ha puesto. Esto fue fotografiado por primera vez por las sondas del programa Surveyor en la década de 1960, ^[62] y más recientemente el rover Chang'e 3 observó depósitos de polvo en rocas lunares de hasta unos 28 cm. ^[63] Se cree que las partículas más pequeñas son repelidas a kilómetros de la superficie y que se mueven en "fuentes" a medida que se cargan y descargan. ^[64]

Procesos en competencia y sección transversal de fotoemisión.

Cuando las energías de los fotones son tan altas como la energía en reposo del electrón511 keV , puede ocurrir otro proceso más, la dispersión Compton . Por encima del doble de esta energía, en1,022 MeV , la producción de pares también es más probable. ^[65] La dispersión Compton y la producción de pares son ejemplos de otros dos mecanismos en competencia. ^{[ cita necesaria ]}

Incluso si el efecto fotoeléctrico es la reacción preferida para una interacción particular de un solo fotón con un electrón ligado, el resultado también está sujeto a estadísticas cuánticas y no está garantizado. La probabilidad de que ocurra el efecto fotoeléctrico se mide por la sección transversal de la interacción, σ. Se ha descubierto que esto es función del número atómico del átomo objetivo y de la energía del fotón. En una aproximación burda, para energías de fotones superiores a la energía de enlace atómico más alta, la sección transversal viene dada por: ^[66]

${\displaystyle \sigma =\mathrm {constant} \cdot {\frac {Z^{n}}{E^{3}}}}$

Aquí Z es el número atómico y n es un número que varía entre 4 y 5. El efecto fotoeléctrico disminuye rápidamente en importancia en la región del espectro de rayos gamma, a medida que aumenta la energía del fotón. También es más probable que provenga de elementos con un número atómico alto. En consecuencia, los materiales con alto contenido de Z son buenos protectores contra los rayos gamma , que es la razón principal por la que  se prefiere y se utiliza más ampliamente el plomo ( Z = 82). ^[67]

Ver también

• Efecto fotovoltaico anómalo
• dispersión Compton
• efecto dember
• Foto-efecto Dember
• Dualidad onda-partícula
• Efecto fotomagnético
• Fotoquímica
• Cronología de la física atómica y subatómica

Referencias

1. 18 de diciembre de 1926: Gilbert Lewis acuña "fotón" en una carta a Nature.
2. "Folleto de datos de rayos X". xdb.lbl.gov . Consultado el 20 de junio de 2020 .
3. Serway, RA (1990). Física para científicos e ingenieros (3ª ed.). Saunders . pag. 1150.ISBN​ 0-03-030258-7.
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Applets

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• « Applet: Efecto fotográfico Archivado el 14 de marzo de 2010 en Wayback Machine ». Sistema de evaluación y gestión de contenidos de aprendizaje distribuido de código abierto. ( Java )