Home » Articole » RO » Știință » Fizica » Electromagnetism » Efectul fotoelectric

Efectul fotoelectric

Schema aparatului experimental pentru a demonstra efectul fotoelectric
Sursa Sursa https://en.wikipedia.org/wiki/File:Versuch_zum_Fotoeffekt.png 

(Schema aparatului experimental pentru a demonstra efectul fotoelectric. Filtrul lasă să treacă de anumite lungimi de undă de la lampa din stânga. Lumina lovește electrodul curbat și se emit electroni. Tensiunea reglabilă poate fi mărită până când curentul nu mai trece. Această ” tensiune de stopare” este o funcție numai a materialului electrodului și a frecvenței luminii incidente și nu este afectată de intensitatea luminii. )

Efectul fotoelectric este emisia de electroni sau alți purtători liberi când un material este iluminat. Electronii emiți în acest mod pot fi numite foto electroni. Acest fenomen este frecvent studiat în fizica electronică, precum și în domeniile chimiei, cum ar fi chimia cuantică sau electrochimia.

Conform teoriei electromagnetice clasice, acest efect poate fi atribuit transferului de energie de la lumină la un electron. Din această perspectivă, o modificare a intensității luminii ar induce modificări ale energiei cinetice a electronilor emiși de metal. În plus, în conformitate cu această teorie, o lumină suficient de slabă ar fi de așteptat să aibă o întârziere de timp între strălucirea inițială a luminii sale și emisia ulterioară a unui electron. Cu toate acestea, rezultatele experimentale nu au fost corelate cu nici una dintre cele două predicții făcute de teoria clasică.

În schimb, electronii sunt dislocați numai prin impulsul dat de fotoni atunci când acești fotoni ating sau depășesc o frecvență (energie) de prag. Sub acest prag, nu sunt emiși electroni din material, indiferent de intensitatea luminii sau de durata expunerii la lumină (rareori un electron va scăpa prin absorbția a două sau mai multe cuante). Acest lucru este extrem de rar deoarece până să absoarbă sufiente cuante pentru a scăpa, electronul probabil va fi emis restul cuantei). Pentru a înțelege faptul că lumina poate ejecta electroni chiar dacă intensitatea lor este scăzută, Albert Einstein a propus ca un fascicul de lumină să nu fie o undă propagată prin spațiu, ci mai degrabă o colecție de pachete de undă discrete (fotoni), fiecare cu energie . Aceasta aruncă o lumină asupra descoperirii anterioare a lui Max Planck a relației lui Planck (E = hν) care leagă energia (E) și frecvența (ν) ca rezultând din cuantizarea energiei. Factorul h este cunoscut drept constanta Planck.

În 1887, Heinrich Hertz a descoperit că electrozii iluminați cu lumină ultravioletă creează mai ușor scântei electrice. În 1900, în timp ce studia radiațiile corpului negru, fizicianul german Max Planck a sugerat că energia purtată de undele electromagnetice ar putea fi eliberată numai în „pachete” de energie. În 1905, Albert Einstein a publicat o lucrare care avansează ipoteza că energia luminoasă este purtată în pachete cuantificate discrete pentru a explica datele experimentale din efectul fotoelectric. Acest model a contribuit la dezvoltarea mecanicii cuantice. În 1914, experimentul lui Millikan sprijinea modelul Einstein al efectului fotoelectric. Einstein a primit Premiul Nobel în 1921 pentru „descoperirea legii efectului fotoelectric”, iar Robert Millikan a primit Premiul Nobel în 1923 pentru „munca sa asupra sarcinii elementare a energiei electrice și asupra efectului fotoelectric”.

Efectul fotoelectric necesită fotoni cu energii care se apropie de zero (în cazul afinității electron negative) până la peste 1 MeV pentru electronii de bază în elemente cu un număr mare de atomi. Emisia electronilor de conducție din metalele tipice necesită, de obicei, câteva electron-volți, corespunzând unei lumini vizibile sau ultraviolete cu lungime de undă scurtă. Studiul efectului fotoelectric a dus la pași importanți în înțelegerea naturii cuantice a luminii și a electronilor și a influențat formarea conceptului de dualitate a undă-particulă. Alte fenomene în care lumina afectează mișcarea sarcinilor electrice includ efectul fotoconductiv (cunoscut și ca fotoconductivitate sau fotorezistență), efectul fotovoltaic și efectul fotoelectrochimic.

Fotoemisia poate apărea din la material, dar este ușor de observat la metale sau la alți conductori, deoarece procesul produce un dezechilibru al sarcinii și dacă acest dezechilibru nu este neutralizat de fluxul de curent (permis de conductivitate), bariera potențială a emisiilor crește până când curentul de emisie încetează. Este, de asemenea, obișnuit ca suprafața de emisie să fie în vid, deoarece gazele împiedică fluxul de fotoelectroni și îl fac dificil de observat. În plus, bariera energetică pentru fotoemisie este de obicei mărită de straturile de oxid subțire pe suprafețele metalice, în cazul în care metalul a fost expus la oxigen, astfel încât cele mai multe experimente practice și dispozitivele bazate pe efectul fotoelectric utilizează suprafețe metalice curate în vid.

Când fotoelectronul este emis mai degrabă într-un solid decât în vid, este adesea folosit termenul de fotoemisie internă, iar emisia în vid se umește fotoemisie externă.

Mecanismul de emisie

Fotonii unui fascicul luminos au o energie caracteristică proporțională cu frecvența luminii. În procesul de fotoemisie, dacă un electron din anumite materiale absoarbe energia unui foton și dobândește mai multă energie decât flucrul mecanic de ieșire (energia de legare a electronilor) a materialului, acesta este evacuat. Dacă energia fotonilor este prea mică, electronul nu poate să scape din material. Deoarece o creștere a intensității luminii cu frecvență joasă va crește numai numărul de fotoni cu energie redusă într-un anumit interval de timp, această schimbare a intensității nu va crea niciun singur foton cu suficientă energie pentru a disloca un electron. Astfel, energia electronilor emiși nu depinde de intensitatea luminii care intră, ci numai de energia (frecvența echivalentă) a fotonilor individuali. Este o interacțiune între fotonul incident și electronii extremi.

Electronii pot absorbi energia din fotoni atunci când sunt iradiați, dar de obicei urmează un principiu „totul sau nimic”. Toată energia dintr-un foton trebuie absorbită și folosită pentru a elibera un electron din legătura atomică sau altfel energia este re-emisă. Dacă energia fotonică este absorbită, o parte din energie eliberează electronul din atom, iar restul contribuie la energia cinetică a electronului ca o particulă liberă.

Observații experimentale ale emisiei fotoelectrice

Teoria efectului fotoelectric trebuie să explice observațiile experimentale ale emisiei de electroni de pe o suprafață metalică iluminată.

Pentru un metal dat, există o anumită frecvență minimă de radiație incidentă sub care nu sunt emiși fotoelectroni. Această frecvență se numește frecvența de prag. Creșterea frecvenței fasciculului incident, menținând numărul fix al fotonilor incidenti (ceea ce ar duce la o creștere proporțională a energiei) mărește energia cinetică maximă a fotoelectronilor emiși. Astfel crește tensiunea de stopare. Numărul de electroni se modifică și din cauza probabilității ca fiecare foton să aibă ca rezultat un electron emis este o funcție a energiei fotonice. Dacă intensitatea radiației incidentate a unei frecvențe date este crescută, nu există niciun efect asupra energiei cinetice a fiecărui fotoelectron.

Deasupra frecvenței de prag, energia cinetică maximă a fotoelectronului emis este dependentă de frecvența luminii incidente, dar este independentă de intensitatea luminii incidente, atâta timp cât aceasta nu este prea mare.

Pentru un metal dat și o frecvență a radiațiilor incidentate, viteza la care sunt ejectați fotoelectronii este direct proporțională cu intensitatea luminii incidente. O creștere a intensității fasciculului incident (menținerea frecvenței fixe) mărește magnitudinea curentului fotoelectric, deși tensiunea de stopare rămâne aceeași.

Intervalul de timp dintre incidența radiațiilor și emisia unui fotoelectron este foarte mic, mai puțin de 10-9 secunde.

Tedința direcției de distribuție a electronilor emiși este în direcția polarizării (direcția câmpului electric) a luminii incidente, dacă este polarizată liniar.

Utilizări și efecte

Fotomultiplicatori

Acestea sunt tuburi de vid extrem de sensibile la lumină, cu un fotocatod acoperit pe o parte (un capăt sau o parte) a interiorului anvelopei. Fotocatodul conține combinații de materiale cum ar fi cesiu, rubidiu și antimoniu, selectate special pentru a oferi un lucru mecanic de etracșie mic, astfel încât atunci când este iluminat chiar și de niveluri foarte scăzute de lumină, fotocatodul eliberează cu ușurință electroni. Prin intermediul unei serii de electrozi (dinode) la potențiale tot mai mari, acești electroni sunt accelerați și cresc substanțial în număr prin emisia secundară pentru a asigura un curent de ieșire ușor de detectat. Fotomultiplicatoarele sunt încă utilizate în mod obișnuit oriunde trebuie detectate niveluri scăzute de lumină.

Senzori de imagine

Tuburile camerelor video în primele zile ale televiziunii au utilizat efectul fotoelectric, de exemplu, „disectorul de imagine” al lui Philo Farnsworth a folosit un ecran încărcat de efectul fotoelectric pentru a transforma o imagine optică într-un semnal electronic scanat.

Electroscop cu frunză de aur

Electroscop cu frunză de aur (Electroscop cu frunză de aur)

Electroscoapele cu frunze de aur sunt proiectate pentru a detecta electricitatea statică. Sarcina plasată pe capacul metalic se răspândește pe tijă și pe frunza de aur a electroscopului. Pentru că au aceeași încărcătură, tulpina și frunza se resping reciproc. Aceasta va face ca frunza să se îndoaie față de tulpină.

Un electroscop este un instrument important în ilustrarea efectului fotoelectric. De exemplu, în cazul în care electroscopul este încărcat negativ peste tot, există un exces de electroni și frunza este separată de tulpină. Dacă lumina de înaltă frecvență iluminează capacul de sus, electroscopul se descarcă și frunza va cădea flască. Acest lucru se datorează faptului că frecvența luminii care iluminează capacul este peste frecvența de prag a capacului. Fotonii din lumină au suficientă energie pentru a elibera electronii de pe capac, reducând încărcarea negativă. Aceasta va descărca un electroscop încărcat negativ și va încărca un electroscop pozitiv. Cu toate acestea, dacă radiația electromagnetică care lovește capacul metalic nu are o frecvență suficient de mare (frecvența sa este sub valoarea de prag pentru capac), atunci frunza nu va fi descărcată niciodată, indiferent cât timp iluminează lumina de joasă frecvență capacul.

Spectroscopie fotoelectronică

Deoarece energia fotoelectronilor emiși este exact energia fotonului incident minus lucrul mecanic de extracție al materialului sau energia de legătiră, lucrul mecanic de extracție al unei probe poate fi determinat prin bombardarea acesteia cu o sursă de raze X monocromatice sau o sursă UV și măsurarea distribuția energiei cinetice a electronilor emiși.

Spectroscopia fotoelectronică se face, de obicei, într-un mediu cu vid înalt, deoarece electronii ar fi împrăștiați de moleculele de gaz dacă ar fi prezente. Cu toate acestea, unele companii vând acum produse care permit fotoemisii în aer. Sursa de lumină poate fi un laser, un tub de evacuare sau o sursă de radiație sincrotronică.

Analizorul emisferic concentric este un analizor tipic de energie pentru electroni și utilizează un câmp electric pentru a schimba direcțiile electronilor incidentți, în funcție de energiile lor cinetice. Pentru fiecare element și nucleu (orbital atomic) va exista o altă energie de legătură. Mulți electroni creați din fiecare dintre aceste combinații vor apărea ca scântei la ieșirea analizorului și aceștia pot fi utilizați pentru a determina compoziția elementară a eșantionului.

Nave spațiale

Efectul fotoelectric va determina navele spațiale expuse la soare să dezvolte o sarcină pozitivă. Aceasta poate fi o problemă majoră, deoarece alte părți ale navei spațiale sunt în umbră, ceea ce va determina nava spațială să dezvolte o sarcină negativă din plasmele din apropiere. Dezechilibrul poate fi descărcat prin componente electrice delicate. Încărcarea statică creată de efectul fotoelectric se auto-limitează, deoarece un obiect încărcat mai mult nu renunță la electronii săi la fel de ușor ca un obiect încărcat mai puțin.

Praful lunar

Lumina de la soare care lovește praful lunar provoacă încărcarea lui prin efectul fotoelectric. Praful încărcat se respinge apoi și se ridică de pe suprafața Lunii prin levitatie electrostatică. Aceasta se manifestă aproape ca o „atmosferă de praf”, vizibilă sub forma unei nuanțe subțiri și estompare a trăsăturilor îndepărtate și este văzută ca o strălucire slabă după ce soarele a apus. Aceasta a fost fotografiată prima dată de sondele programului Surveyor în anii 1960. Se crede că cele mai mici particule sunt respinse la kilometri de la suprafață și că particulele se mișcă în „fântâni arteziene” în timp ce se încarcă și deversează.

Dispozitive de vedere pe timp de noapte

Fotonii care lovesc un strat subțire de metal alcalin sau material semiconductor, cum ar fi arsenid de galiu într-un tub de intensificare a imaginii, cauzează ejecția fotoelectronilor datorită efectului fotoelectric. Aceștia sunt accelerați de un câmp electrostatic în care lovesc un ecran acoperit cu fosfor, transformând electronii înapoi în fotoni. Intensificarea semnalului se realizează fie prin accelerarea electronilor, fie prin creșterea numărului de electroni prin emisii secundare, cum ar fi cu o placă cu microcanal. Uneori se folosește o combinație a celor două metode. Este nevoie de o energie cinetică suplimentară pentru a deplasa un electron din banda de conducție și în nivelul de vid. Aceasta este cunoscută sub numele de afinitatea electronică a fotocatodului, și reprezintă o altă barieră în calea fotoemisiei, pe lângă banda interzisă, explicată prin modelul de decalaj al benzilor. Unele materiale, cum ar fi arsenid de galiu, au o afinitate electronică eficientă care este sub nivelul benzii de conducție. În aceste materiale, electronii care se deplasează în banda de conducție sunt toți de energie suficientă pentru a fi emiși din material și ca atare, filmul care absoarbe fotoni poate fi destul de gros. Aceste materiale sunt cunoscute ca materiale de afinitate negativă pentru electroni.

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată. Câmpurile obligatorii sunt marcate cu *