Efecto fotoeléctrico

O efecto fotoeléctrico consiste na aparición dunha corrente eléctrica nalgúns materiais ó seren iluminados por radiación electromagnética. A fotoelectricidade foi descuberta e descrita de xeito experimental por Heinrich Hertz en 1887. O efecto fotoeléctrico constituía un misterio na física ata que Albert Einstein, en 1905, baseou a súa explicación a partir dos cuantos (quanta) teorizados por Max Planck.
Os paneis solares e as célas fotoeléctricas constitúen algunhas das aplicacións máis coñecidas do efecto fotoeléctrico.

 Formulación do efecto fotoeléctrico 
 Interpretación cuántica do efecto fotoeléctrico 
A electricidade é un fluxo de cargas eléctricas (electróns de carga negativa, protóns de carga positiva, ou ións. A observación de que fluxos electrónicos puidesen ser producidos pola incidencia da luz era un misterio. Einstein descubriu que en determinadas circunstancias os fotóns (cuantos de luz), chocaban contra os electróns dun material comunicándolles enerxía en cantidade maior da necesaria para a súa liberación do átomo, escapando e formando unha corrente eléctrica.

Os fotóns de luz teñen unha enerxía característica determinada pola lonxitude de onda da radiación electromagnética que é a luz. Se un electrón absorbe a enerxía dun fotón e ten máis enerxía que a necesaria para o traballo de extracción do electrón do átomo (é dicir, fundamentalmente para o vencemento das forzas que o ligan ó núcleo atómico), entón o electrón queda libre ara moverse polo exterior do átomo. Se a enerxía du fotón é demasiado pequena, o electrón non pode escapar da superficie do material. Foi algo novidoso o descubrir que os cambios na intensidade da luz non varíen a enerxía dos fotóns, senón tan só o seu número. É dicir, a enerxía dos electróns emitidos non depende da intensidade da luz incidente, senón tan só da súa cor, isto é, da súa frecuencia. Deste xeito, pódese dicir que un electrón absorbe a enerxía dun fotón ou que non a absorbe en absoluto, sendo reemitida polo átomo. Se hai absorción, no caso do efecto fotoeléctrico a enerxía que sobra tras ser liberado do átomo pasa a ser enerxía cinética da nova partícula libre.

Para que o material fotoeléctrico produza electricidade pola incidencia de luz solar, é necesario o uso dun circuíto eléctrico polo que flúan dun xeito continuo os electróns liberados do material fotoeléctrico; en caso contrario, o material queda con carga eléctrica positiva e atrae ós electróns que se van liberando posteriormente.

 Formulación matemática 
Para analizar o efecto fotoeléctrico de xeito cuantitativo usando o método derivado de Einstein, plantéxanse as seguintes ecuacións:

Enerxía dun fotón absorbido = Enerxía necesaria para liberar 1 electrón + enerxía cinética do electrón xa emitido.

De xeito alxébrico:
,

ou
.

onde h é a constante de Planck, f0 a frecuencia de corte ou frecuencia mínima dos fotóns para que teña lugar o efecto fotoeléctrico, φ é o traballo de extracción (a 'función de traballo'), ou mínima enerxía necesaria para liberar un electrón da súa ligazón co átomo e Ec é a máxima enerxía cinética dos electróns que se observa experimentalmente.

 A ter en conta: Se a enerxía do fotón (hf) non é maior que o traballo de extracción (a 'función de traballo', φ), ningún electrón será emitido.

Nalgúns materiais esta ecuación describe o comportamento do efecto fotoeléctrico de xeito só aproximado porque parte da enerxía é absorbida ou emitida como radiación e porque os electróns emitidos poden ser absorbidos por outros átomos da rede cristalina producindo unha perda de enerxía en forma de calor.

 Historia 

 Heinrich Hertz 
As primeiras observacións do efecto fotoeléctrico foron as de Heinrich Hertz en 1887, no contexto das súas experiencias sobre produción e recepción de ondas electromagnéticas. O seu receptor consistía nunha bobina na que se podía producir unha chispa como produto da recepción de ondas electromagnéticas. Para observar mellor a chispa, Hertz encerrou o seu receptor nunha caixa negra. Con todo, observou que neste caso a lonxitude de onda máxima da chispa reducíase en relación a outras veces. Ocorría que a absorción de luz ultravioleta facilitaba o salto dos electróns e diminuía a intensidade da chispa eléctrica producida no receptor. Hertz publicou un artigo cos seus resultados sen intentar explicar o fenómeno observado.

 J.J. Thompson 
En 1889, o físico británico Joseph John Thomson investigaba os raios catódicos. Influenciado polos traballos de James Clerk Maxwell, Thomson deduciu que os raios catódicos consistían nun fluxo de partículas cargadas negativamente aos que denominou corpúsculos e agora coñecemos como electróns.

Thomson utilizaba unha placa metálica encerrada nun tubo de baldeiro como cátodo expoñendo este a luz de diferente lonxitude de onda. Thomson pensaba que o campo electromagnético de frecuencia variable producía resonancias co campo eléctrico atómico e que se estas acandaban unha amplitude abonda podía producirse a emisión dun "corpúsculo" subatómico de carga eléctrica e polo tanto o paso da corrente eléctrica.

A intensidade desta corrente eléctrica variaba coa intensidade. Incrementos maiores da intensidade da luz producían incrementos maiores da corrente. A radiación de maior frecuencia producía a emisión de partículas con maior enerxía cinética.

 Von Lenard 
En 1902 Philipp von Lenard realizou observacións do efecto fotoeléctrico nas que se puña de manifesto a variación de enerxía dos electróns coa frecuencia da luz incidente.
A enerxía cinética dos electróns podía medirse a partir da diferenza de potencial necesaria para frealos nun tubo de raios catódicos. A radiación ultravioleta requiría por exemplo potenciais de freado maiores cá radiación de maior lonxitude de onda. Os experimentos de Lenard proporcionaban datos unicamente cualitativos dadas as dificultades do equipo instrumental co que traballaba.

 Cuantos de luz de Einstein 
No 1905, Albert Einstein propuxo unha descrición matemática deste fenómeno que parecía funcionar correctamente e na que a emisión de electróns era producida pola absorción de cuantos de luz que máis tarde serían chamados fotóns. Nun artigo titulado "Un punto de vista heurístico sobre a produción e transformación da luz" amosou como a idea de partículas discretas de luz podía explicar o efecto fotoeléctrico e a presenza dunha frecuencia característica para cada material por baixo da que non se producía ningún efecto. Por esta explicación do efecto fotoeléctrico Einstein recibiu o Premio Nobel de Física en 1921.

O traballo de Einstein predicía que a enerxía coa que os electróns escapaban do material aumentaba linealmente coa frecuencia da luz incidente. Isto non tiña sido observado en experiencias anteriores. A demostración experimental deste aspecto foi levada a cabo en 1915 polo estadounidense Robert Andrews Millikan.

 Dualidade onda-corpúsculo 
O efecto fotoeléctrico foi un dos primeiros efectos físicos poñendo de manifesto a dualidade onda-corpúsculo característica da mecánica cuántica. A luz compórtase como ondas podendo producir interferencias e difracción como no experimento da dobre fenda de Thomas Young, pero intercambia enerxía de xeito discreto en paquetes de enerxía, fotóns, con E = h·f (onde h é a constante de Planck e f a frecuencia da radiación electromagnética). As ideas clásicas sobre a absorción de radiación electromagnética por un electrón suxerían que a enerxía absórbese de xeito continuo, e foron cambiadas despois da explicación de Einstein.

 Efecto fotoeléctrico na actualidade 
O efecto fotoeléctrico é a base da produción de enerxía eléctrica por radiación solar e do aproveitamento enerxético da enerxía solar. Tamén se usa en díodos fotosensibles coma os das celas fotovoltaicas e en electroscopios ou electrómetros. Na actualidade os materiais fotosensibles máis usados son, á parte dos derivados do cobre (agora en menor uso) os baseados no silicio, que produce correntes eléctricas maiores.

O efecto fotoeléctrico tamén se manifesta en corpos expostos á luz solar de xeito prolongado. Por exemplo, as partículas de po da superficie lunar teñen carga positiva debido ó impacto de fotóns. As partículas cargadas repélense mutuamente elevándose da superficie e formando unha tenue atmosfera. Os satélites espaciais tamén adquiren carga eléctrica positiva nas súas superficies iluminadas e negativa nas partes sombreadas, polo que é necesario ter en conta estes efectos de acumulación de carga no seu deseño.

 Ligazóns externas e referencias 

Xerais
 Efecto fotoeléctrico (Español-Educaplus.org)
 O efecto fotoeléctrico (Español)
 Nave, R., "Wave-Particle Duality". HyperPhysics.
 Jpaul's "Photovoltaics: Theory and Practice". Photoelectric effect.
 "Photoelectric effect". Physics 2000. University of Colorado, Boulder, Colorado.
 ACEPT W3 Group, "The Photoelectric Effect". Department of Physics and Astronomy, Arizona State University, Tempe, AZ.
 Haberkern, Thomas, and N Deepak "Grains of Mystique: Quantum Physics for the Layman". Einstein Demystifies Photoelectric Effect, Chapter 3. 
 Department of Physics, "The Photoelectric effect". Physics 320 Laboratory, Davidson College, Davidson.
 Fowler, Michael, "The Photoelectric Effect". Physics 252, University of Virginia.

Applets
 Curull, Xavi Espinal, "Photoelectric effect Applet". (Java)
 Fendt, Walter, and Taha Mzoughi, "The Photoelectric Effect". (Java)
 "Applet: Photo Effect". Open Source Distributed Learning Content Management and Assessment System. (Java)

Categoría:Mecánica cuántica
Categoría:Albert Einstein
Categoría:Electroquímica