Efecto fotoeléctrico
El efecto fotoeléctrico es la emisión de electrones cuando la radiación electromagnética , como la luz , incide sobre un material. Los electrones emitidos de esta manera se denominan fotoelectrones. El fenómeno se estudia en la física de la materia condensada y en la química cuántica y del estado sólido para extraer inferencias sobre las propiedades de los átomos, las moléculas y los 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 discrepan del electromagnetismo clásico , que predice que las ondas de luz continuas transfieren energía a los electrones, que luego serían emitidos cuando acumularan suficiente energía. En teoría, una alteración en la intensidad de la luz cambiaría la energía cinética de los electrones emitidos, con una luz suficientemente tenue que daría como resultado una emisión retrasada. En cambio, los resultados experimentales muestran que los electrones se desalojan 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 necesaria para producir fotoelectrones, como lo habría hecho si la energía de la luz proviniera de una onda continua, Albert Einstein propuso que un haz de luz no es una onda que se propaga por el espacio . , sino un enjambre de paquetes de energía discretos, conocidos como fotones .
La emisión de electrones de conducción de los metales típicos requiere unos cuantos de luz de electronvoltios (eV), correspondientes a la luz visible o ultravioleta de longitud de onda corta. En casos extremos, las emisiones son inducidas con fotones que se aproximan a la 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 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 .
Los fotones de un haz de luz tienen una energía característica, llamada 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 la cantidad 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 dada, sino únicamente de la energía de los fotones individuales.
Si bien los electrones libres pueden absorber cualquier energía cuando se irradian , siempre que esto vaya seguido de una reemisión inmediata, como en el efecto Compton , en los sistemas cuánticos se absorbe toda la energía de un fotón, si la mecánica cuántica permite el proceso . 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 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, a menudo se usa el término fotoemisión interna , y la emisión en el vacío se distingue como fotoemisión externa .
