El efecto fotoeléctrico es la emisión de electrones cuando la radiación electromagnética , como la luz , golpea un material. Los electrones emitidos de esta manera se denominan fotoelectrones. El fenómeno se estudia en la física de la materia condensada , y de estado sólido y la química cuántica para sacar conclusiones sobre las propiedades de los átomos, moléculas y sólidos. El efecto ha encontrado uso en dispositivos electrónicos especializados para la detección de luz y la emisión de electrones sincronizada con precisión.
Los resultados experimentales no concuerdan con el electromagnetismo clásico , que predice que las ondas de luz continuas transfieren energía a los electrones, que luego serían emitidos cuando acumularan suficiente energía. Una alteración en la intensidad de la luz cambiaría teóricamente la energía cinética de los electrones emitidos, con una luz suficientemente tenue resultando en una emisión retardada. En cambio, los resultados experimentales muestran que los electrones se desprenden solo cuando la luz excede una cierta frecuencia, independientemente de la intensidad de la luz o la duración de la exposición. Debido a que un haz de baja frecuencia a alta intensidad no podría acumular la energía requerida para producir fotoelectrones como lo haría si la energía de la luz viniera de una onda continua, Albert Einstein propuso que un haz de luz no es una onda que se propaga a través del espacio. pero un enjambre de paquetes de energía discretos, conocidos como fotones .
La emisión de electrones de conducción de metales típicos requiere algunos cuantos de luz de electrón-voltio (eV), correspondientes a la luz visible o ultravioleta de longitud de onda corta. En casos extremos, las emisiones se inducen con fotones que se acercan a la energía cero, como en sistemas con afinidad electrónica negativa y la emisión de estados excitados, o unos cientos de fotones keV para electrones centrales 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 en los que la luz afecta el movimiento de las cargas eléctricas incluyen el efecto fotoconductor , el efecto fotovoltaico y el efecto fotoelectroquímico .
Mecanismo de emisión
Los fotones de un haz de luz tienen 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 algún 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 aumentará el número de fotones de baja energía, este cambio en la intensidad no creará ningún fotón con suficiente energía para desalojar un electrón. Además, la energía de los electrones emitidos no dependerá de la intensidad de la luz entrante de una frecuencia determinada, sino únicamente de la energía de los fotones individuales.
Si bien los electrones libres pueden absorber cualquier energía cuando se irradian , siempre que esto sea seguido por una reemisión inmediata, como en el efecto Compton , en los sistemas cuánticos toda la energía de un fotón se absorbe, si el proceso lo permite la mecánica cuántica . o ninguno 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 soportar 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 se emitirán desde el nivel de Fermi .
Cuando el fotoelectrón se emite a un sólido en lugar de al vacío, el término fotoemisión interna se utiliza a menudo y la emisión al vacío se distingue como fotoemisión externa .
Observación experimental de emisión fotoeléctrica
Aunque la fotoemisión puede ocurrir por cualquier material, se observa más fácilmente en metales y otros conductores. Esto se debe a que el proceso produce un desequilibrio de carga que, si no se neutraliza con el flujo de corriente, aumenta la barrera de potencial hasta que la emisión cesa por completo. La barrera de energía a la fotoemisión suele incrementarse mediante capas de óxido no conductoras sobre superficies metálicas, por lo que la mayoría de los experimentos y dispositivos prácticos basados en el efecto fotoeléctrico utilizan superficies metálicas limpias en tubos de vacío. El vacío también ayuda a observar los electrones, ya que evita que los gases impidan su flujo entre los electrodos.
Como la luz solar, debido a la absorción de la atmósfera, no proporciona mucha luz ultravioleta, la luz rica en rayos ultravioleta solía obtenerse quemando magnesio o con una lámpara de arco . En el momento presente, las lámparas de vapor de mercurio , de descarga de gas noble lámparas UV y de plasma de radiofrecuencia fuentes, [6] [7] [8] láseres ultravioleta , [9] y de sincrotrón dispositivo de inserción [10] fuentes de luz prevalecen.
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 se puede controlar externamente.
Se utiliza un voltaje externo positivo para dirigir los electrones fotoemitidos hacia el colector. Si la frecuencia y la intensidad de la radiación incidente son fijas, la corriente fotoeléctrica I aumenta con un aumento de la tensión positiva, a medida que se dirigen más y más electrones sobre el electrodo. Cuando no se pueden recolectar fotoelectrones adicionales, la corriente fotoeléctrica alcanza un valor de saturación. Esta corriente solo puede aumentar con el aumento de la intensidad de la luz.
Un voltaje negativo creciente evita 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 el valor que es lo suficientemente alto como para frenar y detener los fotoelectrones más energéticos de energía cinética K max . Este valor de la tensión de retardo se llama el potencial de frenado o el punto de corte potencial V o . [11] Dado que el trabajo realizado por el potencial retardador al detener el electrón de carga e es eV o , lo siguiente debe mantener eV o = K max.
La curva corriente-voltaje es sigmoidea, pero su forma exacta depende de la geometría experimental y de las propiedades del material del electrodo.
Para una superficie metálica dada, existe una cierta frecuencia mínima de radiación incidente por debajo de la cual no se emiten fotoelectrones. Esta frecuencia se llama frecuencia umbral . El aumento de la frecuencia del haz incidente aumenta la energía cinética máxima de los fotoelectrones emitidos y la tensión de parada tiene que aumentar. El número de electrones emitidos también puede cambiar porque la probabilidad de que cada fotón dé como resultado 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 [12] ), que es proporcional al número de fotones que inciden en la superficie en un tiempo determinado, aumenta la velocidad a la que se expulsan los electrones —La corriente fotoeléctrica I— pero la energía cinética de los fotoelectrones y la tensión de parada siguen siendo las mismas. Para un metal y una frecuencia de radiación incidente dados, la velocidad a la que se expulsan los fotoelectrones es directamente proporcional a la intensidad de la luz incidente.
El lapso de tiempo 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 orbitales atómicas y moleculares y la estructura de banda electrónica de los sólidos cristalinos. En materiales sin orden macroscópico, la distribución de electrones tiende a alcanzar un pico en la dirección de polarización de la luz polarizada linealmente. [13] La técnica experimental que puede medir estas distribuciones para inferir las propiedades del material es la espectroscopía de fotoemisión resuelta en ángulo .
Explicación teórica
En 1905, Einstein propuso una teoría del efecto fotoeléctrico utilizando un concepto presentado por primera vez por Max Planck de que la luz consiste en pequeños paquetes de energía conocidos como fotones o cuantos de luz. Cada paquete lleva energía que es proporcional a la frecuencia de la onda electromagnética correspondiente. La constante de proporcionalidadse conoce como la constante de Planck . La máxima energía cinética de los electrones que recibieron esta cantidad de energía antes de ser eliminados de su enlace atómico es
dónde es la energía mínima requerida para eliminar un electrón de la superficie del material. Se llama función de trabajo de la superficie y a veces se denota o . [14] Si la función de trabajo se escribe como
la fórmula para la energía cinética máxima de los electrones expulsados se convierte en
La energía cinética es positiva y es necesario para que se produzca el efecto fotoeléctrico. [15] La frecuenciaes la frecuencia umbral para el material dado. Por encima de esa frecuencia, la energía cinética máxima de los fotoelectrones, así como el voltaje de parada en el experimento.aumentan linealmente con la frecuencia y no dependen del número de fotones ni de la intensidad de la luz monocromática que incide. La fórmula de Einstein, por simple que fuera, explicaba toda la fenomenología del efecto fotoeléctrico y tenía consecuencias de gran alcance en el desarrollo de la mecánica cuántica .
Fotoemisión de átomos, moléculas y sólidos
Los electrones que están enlazados en átomos, moléculas y sólidos ocupan cada uno estados distintos de energías de enlace bien definidas . Cuando los cuantos de luz entregan más que esta cantidad de energía a un electrón individual, el electrón puede ser emitido al espacio libre con un exceso de energía (cinética) que esmás alto que 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 de energía de enlace. se encuentra en energía cinética . Esta distribución es una de las principales características del sistema cuántico y se puede utilizar para futuros estudios 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 banda electrónica del sólido. Los modelos teóricos de fotoemisión de sólidos muestran que esta distribución, en su mayor parte, se conserva en el efecto fotoeléctrico. El modelo fenomenológico de tres pasos [16] para la excitación de rayos X suave y ultravioleta descompone el efecto en estos pasos: [17] [18] [19]
- Efecto fotoeléctrico interno en la mayor parte del material que es una transición óptica directa entre un estado electrónico ocupado y uno desocupado. Este efecto está sujeto a las reglas de selección de la mecánica cuántica para las transiciones dipolares. El agujero dejado detrás del 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 ser visibles como líneas de satélite en la energía final del electrón.
- Propagación de electrones a la superficie en la que algunos electrones pueden dispersarse debido a interacciones con otros constituyentes del sólido. Los electrones que se originan más profundamente en el sólido tienen muchas más probabilidades de sufrir colisiones y emerger con energía e impulso alterados. Su camino libre de media es una curva universal que depende de la energía del electrón.
- Los electrones escapan a través de la barrera de la superficie hacia estados de vacío similares a los de los electrones libres. En este paso, el electrón pierde energía en la cantidad de la función de trabajo de la superficie y sufre la pérdida de momento en la dirección perpendicular a la superficie. Debido a 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, 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 generalmente se escribe como .
Hay casos en los que el modelo de tres pasos no explica las peculiaridades de las distribuciones de intensidad de los fotoelectrones. El modelo de un solo paso más elaborado [20] trata el efecto como un proceso coherente de fotoexcitación en el estado final de un cristal finito para el cual la función de onda es similar a la de un electrón libre fuera del cristal, pero tiene una envoltura en descomposición en el interior. [19]
Historia
Siglo 19
En 1839, Alexandre Edmond Becquerel descubrió el efecto fotovoltaico mientras estudiaba el efecto de la luz sobre las células electrolíticas . [21] Aunque no es equivalente al efecto fotoeléctrico, su trabajo en energía fotovoltaica fue fundamental para mostrar 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 junto con su trabajo con cables telegráficos submarinos. [22]
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 podrían usarse para medir la intensidad de la luz. [23] [24] : 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 la 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 dan el mayor efecto fotoeléctrico.
En 1887, Heinrich Hertz observó el efecto fotoeléctrico [25] e informó sobre la producción y recepción [26] de ondas electromagnéticas. [27] El receptor de su aparato consistía en una bobina con un espacio de chispa , donde se veía 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 redujo dentro de la caja. Un panel de vidrio colocado entre la fuente de ondas electromagnéticas y el receptor absorbió la radiación ultravioleta que ayudó a los electrones a saltar a través del espacio. Cuando se quita, la longitud de la chispa aumentaría. No observó una disminución en la longitud de la chispa cuando reemplazó el vidrio con cuarzo, ya que el cuarzo no absorbe la radiación ultravioleta.
Los descubrimientos de Hertz condujeron a una serie de investigaciones de Hallwachs , [28] [29] Hoor, [30] Righi [31] y Stoletov [32] [33] sobre el efecto de la luz, y especialmente de la luz ultravioleta, sobre cargas cuerpos. Hallwachs conectó una placa de zinc a un electroscopio . Permitió que la luz ultravioleta cayera sobre una placa de zinc recién limpiada y observó que la placa de zinc se descargó si inicialmente estaba cargada negativamente, cargada positivamente si inicialmente no estaba cargada y más cargada positivamente si inicialmente cargada positivamente. A partir de estas observaciones, concluyó que la placa de zinc emitía algunas partículas cargadas negativamente cuando se exponía a la luz ultravioleta.
Con respecto al efecto Hertz , los investigadores mostraron desde el principio la complejidad del fenómeno de la fatiga fotoeléctrica, la progresiva disminución del efecto observado sobre superficies metálicas frescas. Según Hallwachs, el ozono jugó un papel importante en el fenómeno, [34] y la emisión fue influenciada por la oxidación, la humedad y el grado de pulido de la superficie. En ese momento no estaba claro si la fatiga está ausente en el vacío.
En el período comprendido entre 1888 y 1891, Aleksandr Stoletov realizó un análisis detallado del fotoefecto con resultados reportados en seis publicaciones. [33] Stoletov inventó una nueva configuración experimental que era más adecuada para un análisis cuantitativo del fotoefecto. Descubrió una proporcionalidad directa entre la intensidad de la luz y la corriente fotoeléctrica inducida (la primera ley del fotoefecto o ley de Stoletov ). Midió la dependencia de la intensidad de la fotocorriente eléctrica de la presión del gas, donde encontró la existencia de una presión de gas óptima correspondiente a una fotocorriente máxima ; esta propiedad se utilizó para la creación de células solares . [ cita requerida ]
Muchas sustancias, además de los metales, descargan electricidad negativa bajo la acción de la luz ultravioleta. GC Schmidt [35] y O. Knoblauch [36] compilaron una lista de estas sustancias.
En 1899, JJ Thomson investigó la luz ultravioleta en los tubos de Crookes . [37] Thomson dedujo que las partículas expulsadas, a las que llamó corpúsculos, eran de la misma naturaleza que los rayos catódicos . Estas partículas más tarde se conocieron como electrones. Thomson encerró una placa de metal (un cátodo) en un tubo de vacío y lo expuso a radiación de alta frecuencia. [38] Se pensaba que los campos electromagnéticos oscilantes hacían resonar el campo de los átomos y, después de alcanzar una cierta amplitud, provocaban la emisión de corpúsculos subatómicos y la detección de corriente. La cantidad de esta corriente varió con la intensidad y el color de la radiación. Una mayor intensidad o frecuencia de radiación produciría más corriente. [ cita requerida ]
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 encierra dos electrodos cuando la radiación ultravioleta cae sobre uno de ellos. Tan pronto como se detiene la radiación ultravioleta, la corriente también se detiene. Esto inició el concepto de emisión fotoeléctrica . El descubrimiento de la ionización de gases por luz ultravioleta fue realizado por Philipp Lenard en 1900. Como el efecto se produjo en varios centímetros de aire y produjo un mayor número de iones positivos que negativos, era natural interpretar el fenómeno, como JJ Thomson lo hizo, como un efecto de Hertz sobre las partículas presentes en el gas. [27]
siglo 20
En 1902, Lenard observó que la energía de los electrones emitidos individuales aumentaba con la frecuencia (que está relacionada con el color ) de la luz. [3] Esto parecía contradecir la teoría ondulatoria de la luz de Maxwell , que predijo que la energía de los electrones 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 y que tenía suficiente potencia para permitirle investigar la variación del potencial del electrodo con la frecuencia de la luz. Encontró la energía del electrón relacionándola con el máximo potencial de parada (voltaje) en un fototubo. Descubrió que la energía cinética máxima de los electrones está determinada por la frecuencia de la luz. Por ejemplo, un aumento en la frecuencia da como resultado un aumento en la energía cinética máxima calculada para un electrón tras la liberación; la radiación ultravioleta requeriría un potencial de detención aplicado más alto para detener la corriente en un fototubo que la luz azul. Sin embargo, los resultados de Lenard fueron más cualitativos que cuantitativos debido a la dificultad de realizar los experimentos: los experimentos debían realizarse en metal recién cortado para que se observara el metal puro, pero se oxidaba en cuestión de minutos incluso en los vacíos parciales que él. usó. La corriente emitida por la superficie estaba determinada por la intensidad de la luz, o brillo: duplicar la intensidad de la luz duplicaba el número de electrones emitidos desde la superficie.
Las investigaciones de Langevin y las de Eugene Bloch [39] han demostrado que la mayor parte del efecto Lenard se debe ciertamente al efecto Hertz . Sin embargo, el efecto Lenard sobre el gas [se necesita aclaración ] sí existe. Refundada por JJ Thomson [40] y luego más decisivamente por Frederic Palmer, Jr. [41] [42], la fotoemisión de gas fue estudiada y mostró características muy diferentes a las que en un principio le atribuyó Lenard. [27]
En 1900, mientras estudiaba la radiación del cuerpo negro , el físico alemán Max Planck sugirió en su artículo " Sobre la ley de distribución de energía en el espectro normal " [43] que la energía transportada por ondas electromagnéticas solo podía liberarse en paquetes de energía. . En 1905, Albert Einstein publicó un artículo en el que avanzaba la hipótesis de que la energía de la luz se transporta en paquetes discretos cuantificados 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, más tarde 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 clave en el desarrollo de la mecánica cuántica . En 1914, el experimento de Millikan apoyó el modelo de Einstein del efecto fotoeléctrico. Einstein recibió el Premio Nobel de Física en 1921 por "su descubrimiento de la ley del efecto fotoeléctrico", [44] y Robert Millikan recibió el Premio Nobel en 1923 por "su trabajo sobre la carga elemental de la electricidad y el efecto fotoeléctrico. ". [45] En la teoría de la perturbación cuántica de átomos y sólidos sobre los que actúa la radiación electromagnética, el efecto fotoeléctrico todavía se analiza comúnmente en términos de ondas; los dos enfoques son equivalentes porque la absorción de ondas o fotones solo puede ocurrir entre niveles de energía cuantificados cuya diferencia de energía es la de la energía del fotón. [46] [17]
La descripción matemática de Albert Einstein de cómo el efecto fotoeléctrico fue causado por la absorción de cuantos de luz estaba en uno de sus artículos de Annus Mirabilis , llamado " Sobre un punto de vista heurístico sobre la producción y transformación de la luz ". El artículo proponía una descripción simple de los cuantos de luz , o fotones, y mostraba cómo explicaban fenómenos como el efecto fotoeléctrico. Su simple explicación en términos de absorción de discretos cuantos de luz coincidía con los resultados experimentales. Explicó por qué la energía de los fotoelectrones dependía solo de la frecuencia de la luz incidente y no de su intensidad : a baja intensidad, la fuente de alta frecuencia podría suministrar algunos fotones de alta energía, mientras que a alta intensidad, la de baja La fuente de frecuencia no suministraría fotones de energía individual suficiente para desalojar cualquier electrón. Este fue un enorme salto teórico, pero el concepto fue fuertemente resistido al principio porque contradecía la teoría ondulatoria de la luz que se seguía naturalmente de las ecuaciones del electromagnetismo de James Clerk Maxwell , y más en general, la suposición de divisibilidad infinita de energía en sistemas físicos. . Incluso después de que los experimentos demostraran que las ecuaciones de Einstein para el efecto fotoeléctrico eran precisas, continuó la resistencia a la idea de los fotones.
El trabajo de Einstein predijo que la energía de los electrones expulsados individuales aumenta linealmente con la frecuencia de la luz. Quizás sorprendentemente, la relación precisa no se había probado en ese momento. En 1905 se sabía que la energía de los fotoelectrones aumenta con el aumento de la frecuencia de la luz incidente y es independiente de la intensidad de la luz. Sin embargo, la forma del aumento no se determinó experimentalmente hasta 1914 cuando Robert Andrews Millikan demostró que la predicción de Einstein era correcta. [4]
El efecto fotoeléctrico ayudó a impulsar el concepto entonces emergente de dualidad onda-partícula en la naturaleza de la luz. La luz posee simultáneamente las características de ondas y partículas, cada una de las cuales se manifiesta de acuerdo con las circunstancias. El efecto era imposible de entender en términos de la descripción de onda clásica de la luz, [47] [48] [49] ya que la energía de los electrones emitidos no dependía de la intensidad de la radiación incidente. La teoría clásica predijo que los electrones "acumularían" energía durante un período de tiempo y luego se emitirían. [48] [50]
Usos y efectos
Fotomultiplicadores
Estos son tubos de vacío extremadamente sensibles a la luz con un fotocátodo recubierto dentro del sobre. El fotocátodo contiene combinaciones de materiales como cesio, rubidio y antimonio especialmente seleccionados para proporcionar una función de trabajo baja, por lo que cuando se ilumina incluso con niveles muy bajos de luz, el fotocátodo libera electrones fácilmente. Por medio de una serie de electrodos (dinodos) a potenciales cada vez más altos, estos electrones se aceleran y aumentan sustancialmente en número a través de la emisión secundaria para proporcionar una corriente de salida fácilmente detectable. Los fotomultiplicadores todavía se usan comúnmente donde se deben detectar niveles bajos de luz. [51]
Sensores de imagen
Los tubos de las cámaras de video en los primeros días de la televisión usaban el efecto fotoeléctrico, por ejemplo, el " disector de imágenes " de Philo Farnsworth usaba una pantalla cargada por el efecto fotoeléctrico para transformar una imagen óptica en una señal electrónica escaneada. [52]
Espectroscopia de fotoelectrones
Debido a que la energía cinética de los electrones emitidos es exactamente la energía del fotón incidente menos la energía de la unión del electrón dentro de un átomo, molécula o sólido, la energía de unión se puede determinar al hacer brillar una luz monocromática de rayos X o UV de una luz conocida. energía y midiendo las energías cinéticas de los fotoelectrones. [17] 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, la energía cinética y la distribución del ángulo de emisión de los fotoelectrones se mide para la determinación completa de la estructura de la banda electrónica en términos de las energías de enlace permitidas y los momentos de los electrones. Los instrumentos modernos para la espectroscopia de fotoemisión resuelta en ángulo son capaces de medir estas cantidades con una precisión mejor que 1 meV y 0,1 °.
Las mediciones de espectroscopía de fotoelectrones generalmente se realizan en un entorno de alto vacío, porque los electrones serían dispersados por 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 de sincrotrón . [53]
El analizador hemisférico concéntrico es un analizador de energía de electrones típico. Utiliza un campo eléctrico entre dos hemisferios para cambiar (dispersar) las trayectorias de los electrones incidentes en función de sus energías cinéticas.
Dispositivos de visión nocturna
Los fotones que golpean una película delgada de metal alcalino o material semiconductor como el arseniuro de galio en un tubo intensificador de imagen provocan la expulsión de fotoelectrones debido al efecto fotoeléctrico. Estos son acelerados por un campo electrostático donde chocan con una pantalla recubierta de fósforo , convirtiendo los electrones nuevamente en fotones. La intensificación de la señal se logra mediante la aceleración de los electrones o aumentando el número de electrones a través de emisiones secundarias, como con una placa de microcanales . A veces se usa una combinación de ambos métodos. Se requiere energía cinética adicional para mover un electrón fuera de la banda de conducción y dentro del nivel de vacío. Esto se conoce como la afinidad electrónica del fotocátodo y es otra barrera para la fotoemisión distinta de la banda prohibida, explicada por el modelo de banda prohibida . Algunos materiales, como el arseniuro de galio, tienen una afinidad electrónica efectiva que está por debajo del nivel de la banda de conducción. En estos materiales, los electrones que se mueven hacia la banda de conducción tienen energía suficiente para ser emitidos por el material, por lo que la película que absorbe fotones puede ser bastante gruesa. Estos materiales se conocen como materiales de afinidad electrónica negativa.
Astronave
El efecto fotoeléctrico hará que las naves espaciales expuestas a la luz solar desarrollen una carga positiva. Esto puede ser un problema importante, ya que otras partes de la nave espacial están en sombras, lo que provocará que la nave espacial desarrolle una carga negativa de plasmas cercanos. El desequilibrio puede descargarse a través de delicados componentes eléctricos. La carga estática creada por el efecto fotoeléctrico es autolimitante, porque un objeto con mayor carga no cede sus electrones tan fácilmente como lo hace un objeto con menor carga. [54] [55]
Polvo de luna
La luz del Sol que golpea el polvo lunar hace que se cargue positivamente por el efecto fotoeléctrico. El polvo cargado luego se repele y se eleva de la superficie de la Luna por levitación electrostática . [56] [57] Esto se manifiesta casi como una "atmósfera de polvo", visible como una fina neblina y difuminado de rasgos 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. Se cree que las partículas más pequeñas son repelidas a kilómetros de la superficie y que las partículas se mueven en "fuentes" a medida que se cargan y descargan.
Procesos en competencia y sección transversal de fotoemisión
Cuando las energías de los fotones son tan altas como la energía en reposo del electrón de 511 keV , puede tener lugar otro proceso más, la dispersión de Compton . Por encima del doble de esta energía, aLa producción de pares de 1,022 MeV también es más probable. [58] La dispersión de Compton y la producción de pares son ejemplos de otros dos mecanismos en competencia.
Incluso si el efecto fotoeléctrico es la reacción preferida para una interacción particular de un solo fotón con un electrón ligado, el resultado también está sujeto a la estadística cuántica y no está garantizado. La probabilidad de que ocurra el efecto fotoeléctrico se mide por la sección transversal de la interacción, σ. Se ha descubierto que esto es función del número atómico del átomo objetivo y de la energía del fotón. En una aproximación burda, para energías de fotones por encima de la energía de enlace atómica más alta, la sección transversal viene dada por: [59]
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, con el aumento de la energía fotónica. También es más probable que provenga de elementos con un número atómico alto. En consecuencia, los materiales con alto contenido de Z son buenos protectores de rayos gamma , que es la razón principal por la que se prefiere y se usa más ampliamente el plomo ( Z = 82). [60]
Ver también
- Efecto fotovoltaico anómalo
- Dispersión de Compton
- Efecto Dember
- Efecto Foto-Dember
- Efecto fotomagnético
- Fotoquímica
- Cronología de la física atómica y subatómica
Referencias
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