Efecto Fotoeléctrico

Los fotones tienen una energía característica determinada por la frecuencia de onda de la luz. Si un átomo absorbe energía de un fotón y tiene más energía que la necesaria para expulsar un electrón del material y además posee una trayectoria dirigida hacia la superficie, entonces el electrón puede ser expulsado del material. Si la energía del fotón es demasiado pequeña, el electrón es incapaz de escapar de la superficie del material. Los cambios en la intensidad de la luz no modifican la energía de sus fotones, tan sólo el número de electrones que pueden escapar de la superficie sobre la que incide y por tanto la energía de los electrones emitidos no depende de la intensidad de la radiación que le llega, sino de su frecuencia. Si el fotón es absorbido, parte de la energía se utiliza para liberarlo del átomo y el resto contribuye a dotar de energía cinética a la partícula libre.

En principio, todos los electrones son susceptibles de ser emitidos por efecto fotoeléctrico. En realidad los que más salen son los que necesitan menos energía para ser expulsados y, de ellos, los más numerosos.

En un aislante (dieléctrico), los electrones más energéticos se encuentran en la banda de valencia. En un metal, los electrones más energéticos están en la banda de conducción. En un semiconductor de tipo N, son los electrones de la banda de conducción los que son más energéticos. En un semiconductor de tipo P también, pero hay muy pocos en la banda de conducción. Así que en ese tipo de semiconductor hay que tener en cuenta los electrones de la banda de valencia.

A la temperatura ambiente, los electrones más energéticos se encuentran cerca del nivel de Fermi(salvo en los semiconductores intrínsecos en los cuales no hay electrones cerca del nivel de Fermi). La energía que hay que dar a un electrón para llevarlo desde el nivel de Fermi hasta el exterior del material se llama función trabajo, y la frecuencia mínima necesaria, de radiación incidente, para sacar un electrón del metal, recibe el nombre de frecuencia umbral. El valor de esa energía es muy variable y depende del material, estado cristalino y, sobre todo, de las últimas capas atómicas que recubren la superficie del material. Los metales alcalinos (sodio, calcio, cesio, etc., presentan las más bajas funciones de trabajo. Aún es necesario que las superficies estén limpias a nivel atómico. Una de la mayores dificultades en los experimentos de Millikan era que había que fabricar las superficies de metal en el vacío.

Explicación

Los fotones del rayo de luz tienen una energía característica determinada por la frecuencia de la luz. En el proceso de fotoemisión, si un electrón absorbe la energía de un fotón y éste último tiene más energía que la función trabajo, el electrón es arrancado del material. Si la energía del fotón es demasiado baja, el electrón no puede escapar de la superficie del material. Aumentar la intensidad del haz no cambia la energía de los fotones constituyentes, solo cambia el número de fotones. En consecuencia, la energía de los electrones emitidos no depende de la intensidad de la luz, sino de la energía de los fotones.

Los electrones pueden absorber energía de los fotones cuando son irradiados, pero siguiendo un principio de "todo o nada". Toda la energía de un fotón debe ser absorbida y utilizada para liberar un electrón de un enlace atómico, o si no la energía es re-emitida. Si la energía del fotón es absorbida, una parte libera al electrón del átomo y el resto contribuye a la energía cinética del electrón como una partícula libre.

Einstein no se proponía estudiar las causas del efecto en el que los electrones de ciertos metales, debido a una radiación luminosa, podían abandonar el metal con energía cinética. Intentaba explicar el comportamiento de la radiación, que obedecía a la intensidad de la radiación incidente, al conocerse la cantidad de electrones que abandonaba el metal, y a la frecuencia de la misma, que era proporcional a la energía que impulsaba a dichas partículas.

Qué es?

Se llama efecto fotoeléctrico la liberación (total o parcial) de los electrones de enlaces con átomos y moléculas de la sustancia bajo acción de la luz (visible, infrarroja y ultravioleta).

Si los electrones salen fuera de la sustancia el efecto fotoeléctrico se denomina externo. El efecto fotoeléctrico se observa en los metales.

La fig.1 muestra un recipiente provisto de una ventanilla de cuarzo que es transparente para la radiación óptica. Dentro del recipiente se encuentra una placa metálica K (cátodo), conectada al polo negativo de la pila, y una placa A (ánodo), conectada al polo positivo de la pila. Al iluminarse la placa K, entre ésta y la placa A se produce una corriente (corriente fotoeléctrica) que puede medirse con el galvanómetro G. Como en el recipiente existe un vacío, la corriente se produce exclusivamente por los electrones (fotoelectrones) que se desprenden de la placa iluminada.

Diagramas

Fig.1. Fig.2.

características fundamentales del efecto fotoeléctrico.

1. La corriente fotoeléctrica de saturación ( o sea, el número máximo de electrones liberados por la luz en 1 s) es directamente proporcional al flujo luminoso incidente.

2.La velocidad de los fotoelectrones crece con el aumento de la frecuencia de la luz incidente y no depende de su intensidad.

3.Independientemente de la intensidad de la luz el efecto fotoeléctrico comienza sólo con frecuencia mínima determinada ( para el metal dado) de la luz que se denomina frecuencia de corte o umbral.

La fig.2 se muestra la gráfica de la corriente fotoeléctrica en función de la diferencia de potencial V entre las placas A y K. La intensidad de la corriente fotoeléctrica, cuando la composición y la intensidad de la luz incidente sobre la placa K permanecen constantes, depende de la diferencia de potencial V que existe entre las placas A y K. En esta gráfica se observa dos particularidades: 1) al aumentar la diferencia de potencial V la corriente fotoeléctrica llega a la saturación y 2) existe un valor de la diferencia de potencial retardadora (potencial retardador) V0 llegando a la cual cesa la corriente i.

La corriente fotoeléctrica alcanza un valor límite is (la corriente de saturación) para el cual todos los fotoelectrones desprendidos del cátodo llegan hasta la placa A. La práctica demuestra que con el aumento de la intensidad de la luz incidente aumenta también la corriente de saturación, pero solamente a causa de que son emitidos más electrones. La intensidad de la luz incidente para la curva 2 es mayor que para la curva 1. Como la corriente i = en, donde n es el número de electrones arrancados en la unidad de tiempo, se deduce que el número de electrones arrancados en la unidad de tiempo aumenta con el aumento de la intensidad de la luz incidente.

La parte ab de la curva indica, que aunque se invierte la polaridad de la diferencia de potencial, la corriente fotoeléctrica no se reduce instantáneamente a cero, lo que hace deducir que los electrones emitidos por la placa K tienen una determinada velocidad inicial. Estos electrones dejan de llegar a la placa A cuando el trabajo del campo eléctrico eV0, que frena a los electrones, se hace igual a su energía cinética inicial (la energía cinética máxima) Ec,máx= (mυ2)/2.

(1)

De la fig.2 se ve que para las ambas curvas, que corresponden a diferentes intensidades de la luz incidente, el potencial retardador es el mismo, o sea, el potencial retardador no depende de la intensidad de la radiación incidente, lo que implica que la energía cinética máxima es independiente de la intensidad de la luz.

La segunda y tercera ley del efecto fotoeléctrico están en contradicción con la teoría ondulatoria de la luz. Según esta teoría una onda electromagnética al incidir sobre el cuerpo que contenga electrones deberá provocar en ellos vibraciones forzadas de amplitud proporcional a las amplitudes de las propias ondas luminosas. La intensidad de la luz es proporcional al cuadrado de la amplitud de la onda electromagnética, por lo tanto, la luz de cualquier frecuencia, pero de intensidad suficientemente grande, debería arrancar los electrones del metal, es decir, no debería existir la frecuencia umbral para el efecto fotoeléctrico.

Esta conclusión no concuerda con la tercera ley del efecto fotoeléctrico. La amplitud de las ondas luminosas determina la potencia del flujo luminoso, la velocidad de los electrones desprendidos debería aumentar con el crecimiento de la intensidad de la luz incidente; en otras palabras, cuanto más intensa fuera la luz, tanto mayor energía cinética debería recibir de ella el electrón. Pero en realidad esto no ocurre: al aumentar la potencia de la luz incidente lo que aumenta es el número de electrones que se desprenden; la velocidad de los electrones depende exclusivamente de la frecuencia de

la luz.

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