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Efecto fotoeléctrico

Fotoemisión de electrones desde una placa metálica acompañada de la absorción de cuantos de luz ( fotones). El efecto fotoeléctrico es la emisión de electrones de un material ca...

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Fotoemisión de electrones desde una placa metálica acompañada de la absorción de cuantos de luz ( fotones).

El efecto fotoeléctrico es la emisión de electrones de un material causada por radiación electromagnética, como la luz ultravioleta . Los electrones emitidos de esta manera se denominan fotoelectrones . Este fenómeno se estudia en física de la materia condensada , física del estado sólido y química cuántica para inferir propiedades de átomos, moléculas y sólidos. El efecto se utiliza en dispositivos electrónicos especializados en la detección de luz y la emisión precisa de electrones.

Los resultados experimentales discrepan del electromagnetismo clásico , que predice que las ondas de luz continuas transfieren energía a los electrones, los cuales serían emitidos al acumular suficiente energía. Una alteración en la intensidad de la luz modificaría teóricamente la energía cinética de los electrones emitidos, resultando una emisión retardada con luz suficientemente tenue. Sin embargo, los resultados experimentales muestran que los electrones se desprenden solo cuando la luz supera una determinada frecuencia , independientemente de la intensidad o la duración de la exposición. Dado que un haz de baja frecuencia y alta intensidad no acumula la energía necesaria para producir fotoelectrones, como ocurriría si la energía de la luz se acumulara a lo largo del tiempo a partir de una onda continua, Albert Einstein propuso que un haz de luz no es una onda que se propaga por el espacio, sino paquetes de energía discretos, que posteriormente fueron popularizados como fotones por Gilbert N. Lewis .

La emisión de electrones de conducción de metales típicos requiere unos pocos cuantos de luz de electronvoltios (eV), correspondientes a luz visible o ultravioleta de longitud de onda corta. En casos extremos, las emisiones se inducen con fotones cercanos a energía cero, como en sistemas con afinidad electrónica negativa y la emisión de estados excitados, o unos pocos cientos de fotones de keV para electrones internos en elementos con un número atómico alto . [ 1 ] 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 . [ 2 ] Otros fenómenos donde la luz afecta el movimiento de cargas eléctricas incluyen el efecto fotoconductor , el efecto fotovoltaico y el efecto fotoelectroquímico .

Mecanismo de emisión

Los fotones de un haz de luz poseen una energía característica, denominada energía fotónica , que es proporcional a la frecuencia de la luz. En el proceso de fotoemisión, cuando un electrón dentro de un 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 incrementará el número de fotones de baja energía, este cambio de intensidad no generará ningún fotón individual con la energía suficiente para expulsar un electrón. Además, la energía de los electrones emitidos no dependerá de la intensidad de la luz incidente de una frecuencia dada, sino únicamente de la energía de los fotones individuales.

Mientras que los electrones libres pueden absorber cualquier energía cuando son irradiados siempre que esto vaya seguido de una reemisión inmediata, como en el efecto Compton , en los sistemas cuánticos toda la energía de un fotón es absorbida —si el proceso es permitido por la mecánica cuántica— o ninguna 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. [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] 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 al salir del material, los electrones emitidos tendrán un rango de energías cinéticas. Los electrones de los estados ocupados más altos tendrán la energía cinética más alta. En los metales, esos electrones serán emitidos desde el nivel de Fermi .

Cuando el fotoelectrón se emite en un sólido en lugar de en el vacío, se suele utilizar el término fotoemisión interna , y la emisión en el vacío se distingue como fotoemisión externa .

Observación experimental de la emisión fotoeléctrica

Aunque la fotoemisión puede ocurrir en cualquier material, se observa con mayor facilidad en metales y otros conductores. Esto se debe a que el proceso produce un desequilibrio de carga que, si no se neutraliza mediante el flujo de corriente, provoca un aumento de la barrera de potencial hasta que la emisión cesa por completo. La barrera de energía para la fotoemisión suele incrementarse por la presencia de capas de óxido no conductoras en las 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 facilita la observación de los electrones, ya que impide que los gases obstaculicen su flujo entre los electrodos.

La luz solar es una fuente inconsistente y variable de luz ultravioleta. La nubosidad, la concentración de ozono, la altitud y la reflexión de la superficie alteran la cantidad de UV. Las fuentes de UV de laboratorio se basan en lámparas de arco de xenón o, para una luz más uniforme pero más débil, en lámparas fluorescentes . [ 6 ] Las fuentes más especializadas incluyen láseres ultravioleta [ 7 ] y radiación sincrotrón . [ 8 ]

Esquema del experimento para demostrar el efecto fotoeléctrico. Luz monocromática filtrada de una determinada longitud de onda incide sobre el electrodo emisor (E) dentro de un tubo de vacío. El electrodo colector (C) está polarizado con un voltaje V C que, cuando es positivo, atrae los electrones emitidos o, cuando es negativo, impide que lleguen al colector.

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.

Se aplica un voltaje externo positivo para dirigir los electrones fotoemitidos hacia el colector. Si la frecuencia y la intensidad de la radiación incidente son constantes, la corriente fotoeléctrica I aumenta al incrementarse el voltaje positivo, ya que cada vez más electrones se dirigen hacia el electrodo. Cuando no se pueden recolectar más fotoelectrones, la corriente fotoeléctrica alcanza un valor de saturación. Esta corriente solo puede aumentar al incrementarse la intensidad de la luz.

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 un valor lo suficientemente alto como para ralentizar y detener los fotoelectrones más energéticos de energía cinética K max . Este valor del voltaje de retardo se denomina potencial de frenado o potencial de corte V o . [ 9 ] Dado que el trabajo realizado por el potencial de retardo al detener el electrón de carga e es eV o , debe cumplirse lo siguiente: eV o  = K max. 

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

Para una superficie metálica determinada, existe una frecuencia mínima de radiación incidente por debajo de la cual no se emiten fotoelectrones. Esta frecuencia se denomina frecuencia umbral . Al aumentar la frecuencia del haz incidente, aumenta la energía cinética máxima de los fotoelectrones emitidos, y por lo tanto, debe aumentar la tensión de frenado. El número de electrones emitidos también puede variar, ya que la probabilidad de que cada fotón dé lugar a 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 [ 10 ] ), que es proporcional al número de fotones que inciden sobre la superficie en un tiempo dado, incrementa la tasa de eyección de electrones —la corriente fotoeléctrica I—, pero la energía cinética de los fotoelectrones y la tensión de frenado permanecen constantes. Para un metal y una frecuencia de radiación incidente dados, la tasa de eyección de fotoelectrones es directamente proporcional a la intensidad de la luz incidente.

El desfase temporal 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 de los orbitales atómicos y moleculares y la estructura de bandas electrónicas de los sólidos cristalinos. En materiales sin orden macroscópico, la distribución de electrones tiende a alcanzar un máximo en la dirección de polarización de la luz polarizada linealmente. [ 11 ] La técnica experimental que puede medir estas distribuciones para inferir las propiedades del material es la espectroscopia de fotoemisión resuelta angularmente .

Explicación teórica

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

En 1905, Albert Einstein propuso una teoría del efecto fotoeléctrico utilizando el concepto de que la luz consiste en pequeños paquetes de energía conocidos como fotones o cuantos de luz. Cada paquete transporta energía.hν{\displaystyle h\nu }que es proporcional a la frecuenciaν{\displaystyle \nu }de la onda electromagnética correspondiente. La constante de proporcionalidadh{\displaystyle h}se ha dado a conocer como la constante de Planck . En el rango de energías cinéticas de los electrones que se desprenden de sus enlaces atómicos variables por la absorción de un fotón de energíahν{\displaystyle h\nu }, la energía cinética más altaKmáximo{\displaystyle K_{\max }}es Kmáximo=hν−W.{\displaystyle K_{\max }=h\,\nu -W.} Aquí,W{\displaystyle W}es la energía mínima requerida para extraer un electrón de la superficie del material. Se denomina función de trabajo de la superficie y a veces se denotaΦ{\displaystyle \Phi }oφ{\displaystyle \varphi }. [ 12 ] Si la función de trabajo se escribe como W=hνo,{\displaystyle W=h\,\nu _ {o},} La fórmula para la energía cinética máxima de los electrones eyectados se convierte en: Kmáximo=h(ν−νo).{\displaystyle K_{\max }=h\left(\nu -\nu _ {o}\right).}

La energía cinética es positiva yν>νo{\displaystyle \nu >\nu _{o}}es necesario para que se produzca el efecto fotoeléctrico. [ 13 ] La frecuenciaνo{\displaystyle \nu _{o}}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 frenado en el experimento.Vo=hmi(ν−νo){\textstyle V_{o}={\frac {h}{e}}\left(\nu -\nu _ {o}\right)}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 parezca, explicaba toda la fenomenología del efecto fotoeléctrico y tuvo consecuencias trascendentales en el desarrollo de la mecánica cuántica .

Fotoemisión de átomos, moléculas y sólidos

Los electrones que están ligados en átomos, moléculas y sólidos ocupan cada uno estados distintos de energías de enlace bien definidas . Cuando los cuantos de luz entregan más de esta cantidad de energía a un electrón individual, el electrón puede ser emitido al espacio libre con exceso de energía (cinética) que eshν{\displaystyle h\nu }superior a la energía de enlace del electrón. La distribución de 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 en energía de enlacemiB{\displaystyle E_{B}}se encuentra en la energía cinéticamik=hν−miB{\displaystyle E_{k}=h\nu -E_{B}}Esta distribución es una de las características principales del sistema cuántico y puede utilizarse para estudios posteriores en química cuántica y física cuántica.

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 [ 14 ] para la excitación ultravioleta y de rayos X blandos descompone el efecto en estos pasos: [ 15 ] [ 16 ] [ 17 ]

  1. El efecto fotoeléctrico interno en el interior del material consiste en una transición óptica directa entre un estado electrónico ocupado y uno desocupado. Este efecto está sujeto a las reglas de selección cuántico-mecánicas para las transiciones dipolares. El hueco que queda tras el electrón puede dar lugar a la 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 observarse como líneas satélite en la energía final del electrón.
  2. Propagación de electrones hacia la superficie, donde algunos electrones pueden dispersarse debido a interacciones con otros componentes del sólido. Los electrones que se originan a mayor profundidad en el sólido tienen mucha más probabilidad de sufrir colisiones y emerger con energía y momento alterados. Su camino libre medio es una curva universal que depende de la energía del electrón.
  3. Los electrones escapan a través de la barrera superficial hacia estados similares a los de los electrones libres en el vacío. En este paso, el electrón pierde energía en una cantidad igual a la función de trabajo de la superficie y sufre una pérdida de momento en la dirección perpendicular a la superficie. Dado que la energía de enlace de los electrones en los sólidos se expresa convenientemente con respecto al estado ocupado más alto en la energía de Fermi.miF{\displaystyle E_{F}}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 por los sólidos se suele escribir comomik=hν−W−miB{\displaystyle E_{k}=h\nu -W-E_{B}}.

Existen 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 paso, más elaborado [ 18 ], trata el efecto como un proceso coherente de fotoexcitación hacia el estado final de un cristal finito, cuya función de onda es similar a la de un electrón libre fuera del cristal, pero presenta una envolvente decreciente en su interior. [ 17 ]

Historia

siglo XIX

En 1839, Alexandre Edmond Becquerel descubrió el efecto fotovoltaico relacionado mientras estudiaba el efecto de la luz en celdas electrolíticas . [ 19 ] Aunque no es equivalente al efecto fotoeléctrico, su trabajo sobre fotovoltaica fue fundamental para demostrar 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 en conjunto con su trabajo relacionado con cables telegráficos submarinos. [ 20 ]

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. [ 21 ] [ 22 ] : 458 Ordenaron los metales con respecto a su poder de descarga de electricidad negativa: rubidio , potasio , aleación de potasio y sodio, sodio , litio , magnesio , talio y zinc ; para el cobre , platino , plomo , hierro , cadmio , carbono y mercurio los efectos con luz ordinaria eran demasiado pequeños para ser medibles. El orden de los metales para este efecto fue el mismo que en la serie de Volta para la electricidad de contacto, los metales más electropositivos daban el mayor efecto fotoeléctrico.

Electroscopio de láminas de oro que demuestra el efecto fotoeléctrico. Cuando el disco del electroscopio se carga negativamente con un exceso de electrones, las láminas de oro se repelen entre sí. Si se ilumina el disco con luz de alta energía (como la ultravioleta), se emiten electrones por efecto fotoeléctrico y cesa la repulsión entre las láminas. Sin embargo, si la luz utilizada tiene energía insuficiente para estimular la emisión de electrones, las láminas permanecen separadas independientemente de la duración de la exposición.

En 1887, Heinrich Hertz observó el efecto fotoeléctrico [ 23 ] e informó sobre la producción y recepción [ 24 ] de ondas electromagnéticas. [ 25 ] El receptor de su aparato consistía en una bobina con un espacio de chispa , donde se observaba 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 absorbía la radiación ultravioleta que ayudaba a los electrones a saltar a través del espacio. Al retirarlo, la longitud de la chispa aumentaba. No observó ninguna disminución en la longitud de la chispa cuando reemplazó el vidrio por cuarzo, ya que el cuarzo no absorbe la radiación UV.

Los descubrimientos de Hertz llevaron a una serie de investigaciones de Wilhelm Hallwachs , [ 26 ] [ 27 ] Hoor, [ 28 ] Augusto Righi [ 29 ] y Aleksander Stoletov [ 30 ] [ 31 ] sobre el efecto de la luz, y especialmente de la luz ultravioleta, en cuerpos cargados. Hallwachs conectó una placa de zinc a un electroscopio . Permitió 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 estaba descargada y se cargaba aún más positivamente si inicialmente estaba cargada positivamente. A partir de estas observaciones, concluyó que algunas partículas cargadas negativamente eran emitidas por la placa de zinc cuando se exponía a la luz ultravioleta.

En lo que respecta al efecto Hertz , los investigadores demostraron desde el principio la complejidad del fenómeno de la fatiga fotoeléctrica: la disminución progresiva del efecto observado en superficies metálicas nuevas. Según Hallwachs, el ozono desempeñó un papel importante en el fenómeno, [ 32 ] y la emisión se vio influenciada por la oxidación, la humedad y el grado de pulido de la superficie. En aquel momento, no estaba claro si la fatiga estaba ausente en el vacío.

Entre 1888 y 1891, Aleksandr Stoletov realizó un análisis detallado del efecto fotoeléctrico , cuyos resultados se publicaron en seis artículos. [ 31 ] Stoletov inventó un nuevo montaje experimental más adecuado para el análisis cuantitativo del efecto fotoeléctrico. Descubrió una proporcionalidad directa entre la intensidad de la luz y la corriente fotoeléctrica inducida (la primera ley del efecto fotoeléctrico o ley de Stoletov ). [ 33 ]

Muchas sustancias, además de los metales, descargan electricidad negativa bajo la acción de la luz ultravioleta. GC Schmidt [ 34 ] y O. Knoblauch [ 35 ] recopilaron una lista de estas sustancias.

En 1897, JJ Thomson investigó la luz ultravioleta en tubos de Crookes . [ 36 ] Thomson dedujo que las partículas eyectadas, a las que llamó corpúsculos, eran de la misma naturaleza que los rayos catódicos . Estas partículas se conocieron posteriormente como electrones. Thomson encerró una placa de metal (un cátodo) en un tubo de vacío y la expuso a radiación de alta frecuencia. [ 37 ] Se creía que los campos electromagnéticos oscilantes hacían que el campo de los átomos resonara y, tras alcanzar cierta amplitud, provocaban la emisión de corpúsculos subatómicos y la detección de corriente. La cantidad de esta corriente variaba con la intensidad y el color de la radiación. Una mayor intensidad o frecuencia de la radiación produciría una mayor corriente.

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 contiene dos electrodos cuando la radiación ultravioleta incide sobre uno de ellos. Tan pronto como cesa la radiación ultravioleta, la corriente también cesa. Esto dio origen al concepto de emisión fotoeléctrica. El descubrimiento de la ionización de gases por luz ultravioleta fue realizado por Philipp Lenard en 1900. Dado que el efecto se producía a través de varios centímetros de aire y generaba un mayor número de iones positivos que negativos, era natural interpretar el fenómeno, como hizo J.J. Thomson, como un efecto Hertz sobre las partículas presentes en el gas. [ 25 ]

siglo XX

En 1902, Lenard observó que la energía de los electrones individuales emitidos era independiente de la intensidad de la luz aplicada. [ 3 ] [ 38 ] Esto parecía estar en desacuerdo con la teoría ondulatoria de la luz de Maxwell , que predecía que la energía del electrón 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, sus resultados fueron cualitativos en lugar de cuantitativos debido a la dificultad de realizar los experimentos: estos debían llevarse a cabo sobre metal recién cortado para observar el metal puro, pero este se oxidaba en cuestión de minutos incluso en el vacío parcial que utilizaba. 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 por la superficie.

La investigación inicial del efecto fotoeléctrico en gases realizada por Lenard [ 39 ] fue seguida por JJ Thomson [ 40 ] y luego de manera más decisiva por Frederic Palmer Jr. [ 41 ] [ 42 ]. La fotoemisión del gas fue estudiada y mostró características muy diferentes a las que inicialmente le atribuyó Lenard. [ 25 ]

En 1900, mientras estudiaba la radiación del cuerpo negro , el físico alemán Max Planck sugirió en su artículo "Sobre la ley de distribución de la energía en el espectro normal" [ 43 ] que la energía transportada por las ondas electromagnéticas solo podía liberarse en paquetes de energía. En 1905, Albert Einstein publicó un artículo que planteaba la hipótesis de que la energía de la luz se transporta en paquetes discretos cuantizados 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, posteriormente 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 de alta precisión de la constante de Planck realizadas por Robert A. Millikan a partir del efecto fotoeléctrico respaldaron el modelo de Einstein, aunque para Millikan, en ese momento, una teoría corpuscular de la luz era "completamente impensable". [ 44 ] Einstein recibió el Premio Nobel de Física de 1921 por "su descubrimiento de la ley del efecto fotoeléctrico", [ 45 ] y Millikan recibió el Premio Nobel en 1923 por "su trabajo sobre la carga elemental de la electricidad y sobre el efecto fotoeléctrico". [ 46 ] En la teoría de perturbación cuántica de átomos y sólidos sometidos a 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 cuantizados cuya diferencia de energía es la de la energía del fotón. [ 47 ] [ 15 ]

La descripción matemática de Albert Einstein sobre cómo el efecto fotoeléctrico era causado por la absorción de cuantos de luz se encontraba en uno de sus artículos del Annus Mirabilis , titulado "Sobre un punto de vista heurístico acerca de la producción y transformación de la luz". [ 48 ] 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. Explicaba por qué la energía de los fotoelectrones no dependía de la intensidad de la luz incidente . Esto representó un salto teórico, pero el concepto fue fuertemente rechazado al principio porque contradecía la teoría ondulatoria de la luz que se derivaba naturalmente de las ecuaciones del electromagnetismo de James Clerk Maxwell y, más generalmente, la suposición de divisibilidad infinita de la energía en los sistemas físicos.

El trabajo de Einstein predijo que la energía de los electrones individuales emitidos aumenta linealmente con la frecuencia de la luz. En aquel momento, la relación precisa no se había comprobado. En 1905, se sabía que la energía de los fotoelectrones aumenta con la frecuencia de la luz incidente y es independiente de la intensidad de la luz. Sin embargo, la forma en que se produce este aumento no se determinó experimentalmente hasta 1914, cuando Millikan demostró que la predicción de Einstein era correcta. [ 4 ]

En 1937, el físico búlgaro Georgi Nadjakov descubrió el estado fotoelectreto en dieléctricos. [ 49 ] El fenómeno está relacionado con los efectos fotoeléctricos en sólidos y posteriormente contribuyó a la base física de la xerografía . [ 50 ]

El efecto fotoeléctrico contribuyó a impulsar el concepto, entonces emergente, de la dualidad onda-partícula en la naturaleza de la luz. La luz posee simultáneamente características tanto de ondas como de partículas, manifestándose cada una según las circunstancias. El efecto era imposible de comprender 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 predecía que los electrones «acumularían» energía durante un período de tiempo y luego serían emitidos. [ 52 ] [ 54 ]

Gilbert N. Lewis le dio al cuanto de luz su nombre moderno cuando acuñó el término "fotón" en su carta "La conservación de los fotones" a Nature , publicada el 18 de diciembre de 1926. [ 55 ] [ 56 ]

siglo XXI

La investigación de los últimos años sobre el efecto fotoeléctrico se ha centrado en mediciones del tiempo de emisión de fotoelectrones. Durante mucho tiempo, se creyó que la fotoemisión es un proceso instantáneo. Sin embargo, un papel fundamental en este campo lo desempeñaron las técnicas experimentales de generación de pulsos de luz de attosegundos para estudios sobre la dinámica de los electrones, lo que fue reconocido con el Premio Nobel de Física de 2023 a Pierre Agostini, Ferenc Krausz y Anne L'Huillier. [ 57 ] Por ejemplo, en 2010, se descubrió que la emisión de electrones tarda 20 attosegundos y que la fotoemisión está asociada con correlaciones multielectrónicas complejas y no es un proceso de un solo electrón. [ 58 ] En un trabajo más reciente en el contexto del tungsteno , las mediciones de la emisión de fotoelectrones indicaron que se requieren alrededor de 100 attosegundos para liberar un electrón. [ 59 ] En otra investigación, se encontró que el valor era de 45 attosegundos. [ 60 ] Está surgiendo un amplio consenso en torno al hecho de que la fotoemisión no es instantánea e implica un tiempo finito.

También se ha estudiado empíricamente el papel del campo eléctrico en el efecto fotoeléctrico y se ha descubierto que la radiación electromagnética con una orientación específica del campo eléctrico puede excitar electrones, lo que conduce a una emisión mejorada en el rango de terahercios. [ 61 ]

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, seleccionados especialmente para proporcionar una baja función de trabajo, de modo que, incluso con niveles muy bajos de luz, el fotocátodo libera electrones con facilidad. Mediante una serie de electrodos (dínodos) a potenciales cada vez mayores, estos electrones se aceleran y su número aumenta considerablemente a través de la emisión secundaria , proporcionando una corriente de salida fácilmente detectable. Los fotomultiplicadores se siguen utilizando habitualmente en aplicaciones donde se requiere detectar bajos niveles de luz. [ 62 ]

sensores de imagen

Los tubos de las cámaras de vídeo en los inicios de la televisión utilizaban el efecto fotoeléctrico. Por ejemplo, el " disector de imágenes " de Philo Farnsworth utilizaba una pantalla cargada por el efecto fotoeléctrico para transformar una imagen óptica en una señal electrónica escaneada. [ 63 ]

Espectroscopia de fotoelectrones

Experimento de espectroscopia de fotoemisión resuelta angularmente ( ARPES ). Una lámpara de descarga de helio ilumina la muestra con luz ultravioleta en un vacío ultraalto. Un analizador de electrones hemisférico mide la distribución de los electrones eyectados en función de su energía y momento.

Dado que la energía cinética de los electrones emitidos es exactamente la energía del fotón incidente menos la energía de enlace del electrón dentro de un átomo, molécula o sólido, la energía de enlace se puede determinar iluminando con rayos X monocromáticos o luz UV de energía conocida y midiendo las energías cinéticas de los fotoelectrones. [ 15 ] La distribución de energías electrónicas es valiosa para estudiar las propiedades cuánticas de estos sistemas. También se puede utilizar para determinar la composición elemental de las muestras. Para los sólidos, se mide la energía cinética y la distribución del ángulo de emisión de los fotoelectrones para la determinación completa de 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 resuelta angularmente son capaces de medir estas cantidades con una precisión mejor que 1 meV y 0,1°.

Las mediciones de espectroscopia de fotoelectrones generalmente se realizan en un entorno de alto vacío, ya que los electrones se dispersarían por las moléculas de gas si estuvieran presentes. Sin embargo, algunas empresas ahora venden 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 . [ 64 ]

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

Dispositivos de visión nocturna

Los fotones que inciden sobre una película delgada de metal alcalino o material semiconductor , como el arseniuro de galio, en un tubo intensificador de imagen, provocan la eyección de fotoelectrones debido al efecto fotoeléctrico. Estos se aceleran mediante un campo electrostático al impactar contra una pantalla recubierta de fósforo , convirtiéndose de nuevo en fotones. La intensificación de la señal se logra mediante la aceleración de los electrones o aumentando su número a través de emisiones secundarias, como con una placa de microcanales . En ocasiones, se utiliza una combinación de ambos métodos. Se requiere energía cinética adicional para mover un electrón fuera de la banda de conducción y hacia el nivel de vacío. Esto se conoce como la afinidad electrónica del fotocátodo y constituye otra barrera para la fotoemisión, además de la banda prohibida, explicada por el modelo de banda prohibida . Algunos materiales, como el arseniuro de galio, tienen una afinidad electrónica efectiva inferior al nivel de la banda de conducción. En estos materiales, los electrones que se mueven a la banda de conducción tienen energía suficiente para ser emitidos, por lo que la película que absorbe los fotones puede ser bastante gruesa. Estos materiales se conocen como materiales de afinidad electrónica negativa.

Astronave

El efecto fotoeléctrico provoca que las naves espaciales expuestas a la luz solar desarrollen una carga positiva. Esto puede ser un problema grave, ya que otras partes de la nave se encuentran en sombra, lo que resulta en una carga negativa proveniente de plasmas cercanos. Este desequilibrio puede provocar descargas a través de componentes eléctricos delicados. La carga estática generada por el efecto fotoeléctrico es autolimitante, dado que un objeto con mayor carga no cede sus electrones con la misma facilidad que uno con menor carga. [ 65 ] [ 66 ]

polvo lunar

La luz del Sol que incide sobre el polvo lunar provoca que este se cargue positivamente debido al efecto fotoeléctrico. El polvo cargado se repele y se eleva de la superficie de la Luna por levitación electrostática . [ 67 ] [ 68 ] Esto se manifiesta casi como una "atmósfera de polvo", visible como una fina neblina y una visión borrosa de las características distantes, y visible como un tenue resplandor después de la puesta del sol. Esto fue fotografiado por primera vez por las sondas del programa Surveyor en la década de 1960, [ 69 ] y más recientemente el rover Chang'e 3 observó la deposición de polvo en rocas lunares de hasta unos 28  cm de altura. [ 70 ] 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. [ 71 ]

Sección transversal y procesos competitivos

Gráfico de energías de fotones calculadas para un elemento dado (número atómico Z) en el que el valor de la sección transversal para el proceso de la derecha se vuelve mayor que la sección transversal para el proceso de la izquierda. Para el calcio (Z=20), la dispersión Compton comienza a dominar enhν{\displaystyle h\nu }=0,08 MeV y cesa en 12 MeV. [ 72 ]

La probabilidad de que ocurra el efecto fotoeléctrico se mide mediante la sección transversal de la interacción, que depende 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 cualitativamente por: [ 73 ]

σ=doonortestanortet⋅Znortemi3{\displaystyle \sigma =\mathrm {constante} \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 de rayos gamma del espectro, a medida que aumenta la energía del fotón. También es más probable en elementos con un número atómico alto. Por consiguiente, los materiales con un número atómico alto son buenos blindajes contra los rayos gamma , razón principal por la que el plomo ( Z  =  82) es el material preferido y más utilizado. [ 74 ]

La probabilidad de absorción fotoeléctrica,σpe{\displaystyle \sigma _{\textrm {pe}}}, como la luz viaja a través de la materia es un componente del coeficiente de atenuación lineal : μ0=σpe+σCompton+σpáginas{\displaystyle \mu _{0}=\sigma _{\textrm {pe}}+\sigma _{\textrm {compton}}+\sigma _{\textrm {pp}}} donde los otros procesos competitivos son la dispersión Compton , con sección transversalσCompton{\displaystyle \sigma _{\textrm {compton}}}y producción de pares , con sección transversalσpáginas{\displaystyle \sigma _{\textrm {pp}}}Estas secciones transversales varían con el número atómico del elemento que domina el material y con la energía de los fotones. A medida que las energías de los fotones aumentan por encima de las del borde K de un material , la probabilidad de interacciones fotoeléctricas disminuye y la dispersión Compton comienza a dominar. Por encima de las energías de los fotones de1,022  MeV , comienza la producción de pares , aumentando rápidamente con la energía del fotón. [ 75 ]

Véase también

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