Efecto fotoeléctrico
Na Galipedia, a wikipedia en galego.
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, basou 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.
Índice |
[editar] Formulación do efecto fotoeléctrico
[editar] 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 poideran 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 novedoso 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, esto é, da súa frecuencia. Deste xeito, pódese dicir que un electrón absorbe a enerxía de un 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 contínuo 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.
[editar] 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 eEc 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 descrebe 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.
[editar] Historia
[editar] 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. Nembargantes, 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 en el receptor. Hertz publicou un artgo cos seus resultados sen intentar explicar o fenómeno observado.
[editar] J.J. Thompson
En 1889, el físico británico Joseph John Thomson investigaba los rayos catódicos. Influenciado por los trabajos de James Clerk Maxwell, Thomson dedujo que los rayos catódicos consistían de un flujo de partículas cargadas negativamente a los que llamó corpúsculos y ahora conocemos como electrones. Thomson utilizaba una placa metálica encerrada en un tubo de vacío como cátodo exponiéndo este a luz de diferente longitud de onda. Thomson pensaba que el campo electromagnético de frecuencia variable producía resonancias con el campo eléctrico atómico y que si estas alcanzaban una amplitud suficiente podía producirse la emisión de un "corpúsculo" subatómico de carga eléctrica y por lo tanto el paso de la corriente eléctrica. La intensidad de esta corriente eléctrica variaba con la intensidad. Incrementos mayores de la intensidad de la luz producian incrementos mayores de la corriente. La radiación de mayor frecuencia producía la emisión de partículas con mayor energía cinética.
[editar] Von Lenard
En 1902 Philipp von Lenard realizó observaciones del efecto fotoeléctrico en las que se ponía de manifiesto la variación de energía de los electrones con la frecuencia de la luz incidente. La energía cinética de los electrones podía medirse a partir de la diferencia de potencial necesaria para frenarlos en un tubo de rayos catódicos. La radiación ultravioleta requería por ejemplo potenciales de frenado mayores que la radiación de mayor longitud de onda. Los experimentos de Lenard arrojaban datos únicamente cualitativos dadas las dificultades del equipo instrumental con el cual trabajaba.
[editar] Cuantos de luz de Einstein
No 1905, Albert Einstein propuxo unha descripción 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 presencia 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 electrónes escapaban do material aumentaba linealmente coa frecuencia da luz incidente. Esto non tiña sido observado en experiencias anteriores. A demostración experimental deste aspecto foi levada a cabo en 1915 polo estadounidense Robert Andrews Millikan.
[editar] Dualidade onda-corpúsculo
O efecto fotoeléctrico foi un dos primeiros efectos físicos poñendo de manifiesto a dualidade onda-corpúsculo característica da mecánica cuántica. A luz compórtase como ondas podendo producir interferencias e difracción como no experimento da doble regandixa de Thomas Young, pero intercambia enerxía de xeito discreto en paquetes de enerxía, fotóns, con E = f(frecuencia da radiación electromagnética). As ideas clásicas sobre a absorción de radiación electromagnética por un electrón suxerían que a enerxía absórbese de xeito contínuo, e foron cambiadas despois da explicación de Einstein.
[editar] 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 úsase en diodos fotosensibles coma os das célas fotovoltaicas e en electroscopios ou electrómetros. Na actualidade os materiais fotosensibles máis usados son, aparte 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 luar collen 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.
[editar] 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)
