Efeutu fotoeléctricu

250px|thumb|right| Heinrich Hertz, alredor de 1890, descubridor del efeutu fotoeléctricu.

El efeutu fotoeléctricu consiste na emisión d'electrones por un material al incidir sobre él una radiación electromagnético (lluz visible o ultravioleta, polo xeneral). Dacuando inclúyense nel términu otros tipos d'interacción ente la lluz y la materia:
 Fotoconductividad: Ye l'aumentu de la conductividá llétrica de la materia o en diodos provocada pola lluz. Descubierta por Willoughby Smith nel seleniu escontra la metá del sieglu XIX.
 Efeutu fotovoltaico: Tresformamientu parcial de la enerxía llumínica n'enerxía llétrica. La primera célula solar foi fabricada por Charles Fritts en 1884. Taba formada por seleniu recubiertu d'una fina capa d'oru.

L'efeutu fotoeléctricu foi descubiertu y descritu por Heinrich Hertz, en 1887, al reparar que l'arcu que salta ente dos electrodos coneutaos 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 d'Einstein nun yera correuta, pa finalmente concluyir que sí lo yera. Eso dexó que Einstein y Millikan fueren gallardoniaos con Premiu Nobel en 1921 y 1923, respeutivamente.

Podría dicise que l'efeutu fotoeléctricu ye lo opuesto a los rayos X, una y bones l'efeutu 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 

Los fotones tienen una enerxía carauterística 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 trayeutoria empobinada escontra la superficie, entós l'electrón puede ser espulsáu del material. Si la enerxía del fotón ye demasiáu pequeña, 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 tanto 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 efeutu 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 
Los fotones del rayu de lluz tienen una enerxía carauterística 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 efeutu 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 
 Pa un metal y una frecuencia de radiación incidente daos, la cantidá de fotoelectrones emitíos ye direutamente proporcional a la intensidá de lluz incidente.
 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".
 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.
 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 
P'analizar l'efeutu 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'efeutu 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 efeutu 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 

 Heinrich Hertz 
Les primeres observaciones del efeutu fotoeléctricu fueron llevaes a cabu por Heinrich Hertz, en 1887, nos sos esperimentos sobre la producción y receición d'ondes electromagnétiques. El so receptor consistía nuna bobina na que podía producise una chispa como productu de la receición 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'efeutu l'absorción de lluz ultravioleta facilitaba'l saltu de los electrones y la intensidá de la chispa llétrica producida nel receptor. Hertz publicó un artículu coles sos resultaos ensin intentar esplicar el fenómenu reparáu.

 Joseph John Thomson 
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 distinta llonxitú d'onda. Thomson pensaba que'l campu electromagnético de frecuencia variable producía resonancies col campu llétricu atómicu y que si estes algamaben una amplitú abonda podía producise la emisión d'un "corpúsculu" subatómicu de carga llétrica y polo tanto'l pasu de la corriente llétrica.

La intensidá d'esta corriente llétrica 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 
En 1902 Philipp Lenard realizó observaciones del efeutu 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 llonxitú d'onda. Los esperimentos de Lenard refundiaben datos namái cualitativos daes les dificultaes del equipu instrumental col cual trabayaba.

 Cuantos de lluz d'Einstein 
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 correutamente 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'efeutu fotoeléctricu y la presencia d'una frecuencia carauterística pa cada material per debaxo de la cual nun se producía nengún efeutu. Por esta esplicación del efeutu fotoeléctricu Einstein recibiría'l Premiu Nobel de Física en 1921.

Según les investigaciones d'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. Sorprendentemente esti aspeutu nun se reparara n'esperiencies anteriores sobre l'efeutu fotoeléctricu. La demostración esperimental d'esti aspeutu llevar a cabu en 1915 el físicu d'Estaos Xuníos Robert Andrews Millikan.

 Dualidá onda-corpúsculu 

L'efeutu fotoeléctricu foi unu de los primeros efeutos físicos que punxo de manifiestu la dualidá onda-corpúsculo carauterística 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 suxeríen 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.

 Efeutu fotoeléctricu na actualidá 
L'efeutu fotoeléctricu ye la base de la producción d'enerxía solar fotovoltaica. Esti principiu utilízase tamién pa la fabricación de célules utilizaes nos 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 fotovoltaiques y n'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 llétriques mayores.

L'efeutu 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 impautu de fotones. Les partícules cargaes se repelen mutuamente alzándose de la superficie y formando una tenue atmósfera. Los satélites espaciales tamién adquieren carga llétrica positiva nes sos superficies allumaes y negativa nes rexones escurecíes, polo que ye necesariu tener en cuenta estos efeutos d'acumuladura de carga nel so diseñu.

 Ver tamién 
 Cronoloxía del desenvolvimientu de les célules solares
 Célula fotoeléctrica
 Función de trabayu
 Panel fotovoltaico

 Referencies 

 Enllaces esternos 

 Valores de la función de trabayu y llonxitú d'onda umbral.


Categoría:Mecánica cuántica
Categoría:Ciencia y teunoloxía d'Alemaña