Efecte fotoelèctric

De Viquipèdia
Dreceres ràpides: navegació, cerca
El diagrama mostra l'emissió d'electrons d'una placa metàl·lica, els fotons incidents provoquen l'ejecció d'electrons del metall

L'efecte fotoelèctric és la capacitat de la llum per a alliberar electrons d'una superfície metàl·lica. Aquests electrons deixen el metall a una velocitat que no depèn de la intensitat de la llum, sinó de la longitud d'ona.

L'efecte fotoelèctric és un cas particular d'un de més general: la interacció de la radiació electromagnètica amb les partícules amb càrrega elèctrica. Una altra manifestació d'aquesta interacció és la radiació del cos negre. L'explicació de l'efecte fotoelèctric estaria lligada, com veurem més endavant, a la de la radiació del cos negre.

Fins a 1899, les dades obtingudes sobre la radiació del cos negre experimentalment estaven d'acord amb la llei de Wien, proposada tres anys abans. Però, a la tardor de 1900, els experiments realitzats per Heinrich Rubens i Ferdinand Kurlbaum a Berlín amb longituds d'ona més llargues feren evident que la concordança no era real, la qual cosa confirmava les sospites d'Otto Lummer, Ernst Pringsheim, i d'altres.

Pocs dies després, Max Planck va trobar una nova fórmula que explicava totes les observacions. En la sessió del 19 d'octubre, exposà la nova llei de Planck davant la Societat Alemanya de Física. Només algunes setmanes després, el 14 de desembre de 1900 llegia, en el mateix lloc, la seva memòria: "Sobre la teoria de la llei de la distribució de l'energia en l'espectre normal", en què oferia una justificació teòrica de la seva llei. Max Planck, basant-se en les observacions esmentades, arribà a la conclusió que un cos calent emet llum d'una determinada freqüència (o color) en porcions indivisibles que va denominar quàntums, per la qual cosa Planck introduí la seva constant h en les seves equacions, cèlebres perquè descrivien la radiació del cos negre de manera correcta, la qual cosa no s'havia pogut explicar partint de la hipòtesi clàssica, segons la qual la llum era una ona. Per arribar a les seves conclusions, Planck ideà un model segons el qual un cos que emetia o absorbia radiació s'assimilava a un conjunt de partícules carregades elèctricament en oscil·lació permanent que, en definitiva, causaven l'emissió i absorció de les radiacions electromagnètiques. El tractament d'aquests oscil·ladors, segons la física clàssica, no portava a la llei de Planck, per la qual cosa cercà alternatives que obtinguessin l'explicació cercada a qualsevol preu. Fou així com Planck, "en un acte de desesperació", decidí aplicar els mètodes estadístics de Boltzmann. Si bé no ho féu de bon grat, ja que implicaven que les lleis de la termodinàmica tenien caràcter probabilístic, en contra de la seva adhesió al caràcter absolut de les lleis de la física. Per afegitó, els oscil·ladors planckians de freqüència ν no podien absorbir o emetre qualsevol quantitat d'energia, com es podria esperar seguint els dictats de la mecànica clàssica: només quantitats múltiples d'una unitat elemental, com ja s'ha esmentat:

L'any 1905, Albert Einstein postulà el comportament corpuscular de la llum, en un famós article titulat: "Sobre un punt de vista heurístic referent a l'emissió i transformació de la llum", que incloïa tres aplicacions, una de les quals era l'efecte fotoelèctric. Experiments posteriors van confirmar l'explicació einsteniana de l'efecte fotoelèctric, per la qual cosa li va ser concedit el premi Nobel de física l'any 1921, "pels seus serveis a la física teòrica i, especialment, pel seu descobriment de la llei de l'efecte fotoelèctric".

El raonament d'Einstein era el següent: en primer lloc calculà la variació de l'entropia d'un gas ideal com a conseqüència d'una transformació reversible del seu volum, a temperatura constant. Després repetí el càlcul, però per radiació, en lloc del gas, i suposant vàlida la ja esmentada llei de Wien. Tot això permeté a Einstein arribar a la conclusió que la radiació es comporta com si estigués constituïda per quanta d'energia independents els uns dels altres, de magnitud .

Introducció[modifica | modifica el codi]

Els fotons tenen una energia característica determinada per la freqüència d’ona de la llum. Si un àtom absorbeix energia d’un fotó i té més energia que la necessària per expulsar un electró del material i a més a més posseeix una trajectòria dirigida cap a la superfície, llavors l’electró pot ser expulsat del material. Si l’energia del fotó és massa petita, l’electró és incapaç d’escapar de la superfície del material. Els canvis en la intensitat de la llum no modifiquen l’energia dels seus fotons, tan sols el número d’electrons que poden escapar de la superfície sobre la que incideix i per tant l’energia dels electrons emesos no depenen de la intensitat de la radiació que l’arriba, sinó de la seva freqüència. Si el fotó és absorbit, part de l’energia s’utilitza per alliberar-ho del àtom i la resta contribueix a dotar l’energia cinètica a la partícula lliure.

En principi, tots els electrons són susceptibles de ser emesos per l’efecte fotoelèctric. En realitat els que més surten són els que necessiten menys energia per ser expulsats i, de ells, els més nombrosos.

En un aïllant (dielèctric), els electrons més energètics es troben en la banda de valencia. En un metall, els electrons més energètics estan en la banda de conducció. En un semiconductor de tipo N, son els electrons de la banda de conducció els que més energètics. En un semiconductor de tipo P també, però hi ha molt pocs en la banda de conducció. Així que en aquest tipus de semiconductor hem de tenir en compte els electrons de la banda de Valencia

A la temperatura ambient, els electrons més energètics es troben a prop del nivell de Fermi (excepte en els semiconductors intrínsecs en els quals no hi ha electrons a prop del nivell de Fermi.) L’energia que ha de donar un electró per portar-lo des del nivell de Fermi fins l’exterior del material s’anomena funció de treball, i la freqüència mínima necessària, de radiació indecent, per treure un electró del metall, rep el nom de freqüència Umbral. El valor d’aquesta energia és molt variable i depèn del material, estats cristal·lins i, sobre tot, de les últimes capes atòmiques que recobreixen la superfície del material. Els metalls alcalins (sodi, calci, cesi, etc), presenten les més baixes funcions de treball. Encara és necessari que les superfícies estiguin netes a nivell atòmic. Una de les majors dificultats en els experiments de Millikan era que havia de fabricar les superfícies de metall buit.

Explicació[modifica | modifica el codi]

Els fotons dels raigs de llum tenen energia característica determinada per la freqüència de la llum. En el procés de fotoemissió, si un electró absorbeix l’energia d’un fotó i aquest últim té més energia que la funció del treball, l’electró és arrencat del material. Si l’energia del fotó és massa baixa, l’electró no poden escapar de la superfície del material.

Augmentar la intensitat no canvia l’energia dels fotons constituents, només canvia el nombre de fotons. En conseqüència, l’energia dels electrons emesos no depenen de la intensitat de la llum, sinó de la energia dels fotons.

Els electrons poden absorbir energia dels fotons quan son irradiats, però seguin un principi de “tot o res”. Tota l’energia d’un fotó deu ser absorbida i utilitzada per alliberar un electró d’un enllaç atòmic, o si no la energia es reemitida. Si l’energia del fotó és absorbida, una part allibera la l’electró del àtom i la resta contribueix a la energia cinètica del electró com una partícula lliure.

Einstein no proposava estudiar les causes del efecte en el que els electrons de certs metalls, degut a una radiació lluminosa, podien abandonar el metall amb energia cinètica.

Intentava explicar el comportament de la radiació, que obeïa a la intensitat de la radiació indecent, al assabentar-se la quantitat d’electrons que abandonava el metall, i a la freqüència de la mateixa, que era proporcional a l’energia que impulsava aquestes partícules.

Lleis de l'emisió fotoelèctrica[modifica | modifica el codi]

1.     Per un metall i una freqüència de radiació indecent indecent, donats: la quantitat de fotoelectrons emesos és directament proporcional a la intensitat de la llum indecent.

2.     Per cada metall donat, existeix una certa freqüència mínima de la radiació indecent sota la qual ningun fotoelectró pot ser emes. Aquesta freqüència s’anomena freqüència de tall, també coneguda com “Freqüència Umbral”:

3.     Per sobre de la freqüència de tall, l’energia cinètica màxima del fotoelectró emes és independent de la intensitat de la llum indecent, però depèn de la freqüència de la llum indecent.

4.     La emissió del fotoelectró es realitza instantàniament, independentment  de la intensitat de la llum indecent. Aquest fet es contraposa a la teoria clàssica: la física clàssica esperaria que existissin un cert retràs entre l’absorció de l’energia i l’emissió del electró, inferior a un nano segon.[1]

Història[modifica | modifica el codi]

Heinrich Hertz[modifica | modifica el codi]

Les primeres observacions de l’efecte fotoelèctric van ser portades a cap per Heinrick Hertz, en 1887, en els seus experiments sobre la producció i recepció de ones electromagnètiques.

El seu receptor consistia en una bombina en la que es podia produir una chispa Hertz va tancar el seu receptor en una caixa negre. No obstant, la longitud màxima de la chispa es reduïa en aquest cas comparat amb les observacions de chispas anteriors. En efecte l’absorció de llum ultra violeta facilitava el salt dels electrons i la intensitat de la chispa elèctrica produïda en el receptor. Hertz va publicar un article amb els seus resultats sense intentar explicar el fenomen observat.

Joseph John Thomson[modifica | modifica el codi]

En 1897, el físic britànic Joseph John Thomson investigava els raigs catòdics. Influenciat pels treballs de James Clerk Maxwell, Thomson va deduir que els ragis catòdics consistien d’un flux de partícules cargades negativament a les que va anomenar corpuscles i ara coneixem com electrons.

Thomson utilitzava una placa metàl·lica tancada en un tub com càtode exposant aquest a la llum de diferent longitud de l’ona. Thomson pensava que el camp electromagnètic de freqüència variable produïa ressonàncies com en el camp elèctric atòmic i que si aquestes arribaven a una amplitud suficient podia produir-se l’emissió d’un “corpuscle” subatòmic de carga elèctrica i per tant el pas del corrent elèctric.

La intensitat d’aquesta corrent elèctrica variava amb la intensitat de la llum. Increments majors de la intensitat de la llum produïen increments majors de la corrent. La radiació de major freqüència produïa l’emissió de partícules amb major energia cinètica.

Philipp Lenard[modifica | modifica el codi]

En 1902 Philipp Lenard va realitzar observacions del efecte fotoelèctric en els que es posava de manifest la variació d’energia dels electrons amb la freqüència de la llum indecent.

La energia cinètica dels electrons podia mesurar-se a partir de la diferència de potencial necessària per frenar-ho en un tub de raigs catòdics. La radiació ultra violeta requeria per exemple, potencials de frenat majors que la radiació de major longitud d’ona. Els experiments de Lenard tiraven les dades únicament qualitatius donades les dificultats del equip instrumental amb el qual treballa.

Einstein[modifica | modifica el codi]

En 1905, el mateix any que va formular la teoria de la relativitat especial, Albert Einstein va proposar una descripció matemàtica d’aquest fenomen que semblava funcionar correctament i en la que l’emissió d’electrons era produïda per la absorció de cants de llum que més tard serien trucats fotons. En un articles titular “Un punt de vista heurístic sobre la producció i transformació de la llum” va mostrar com la idea de partícules discretes de llum podia explicar l’efecte fotoelèctric i la presencia d’una freqüència característica per cada material per sota de la qual no es produïa ningun efecte. Per aquesta explicació del efecte fotoelèctric, Einstein rebrà el Premi Nobel de Física en 1921.

Segons els investigadors de Einstein, l’energia amb la que les electrons escapaven del càtode il·luminat, augmentava linealment amb la freqüència de la llum indecent, sen independentment de la intensitat de il·luminació. Sorprenentment aquest aspecte no s’havia observat en experiències anteriors sobre l’efecte fotoelèctric. La demostració experimental d’aquest aspecte la va portar a cap en 1915 el físic estatunidenc Robert Andrews Millikan.

Dualitat ona-corpuscle[modifica | modifica el codi]

L’efecte fotoelèctric va ser un dels primers efectes físics que va posar de manifest la dualitat ona- corpuscle característica de la mecànica quàntica. La llum es comporta com unes que poden produir interferències i difracció com en el experiment de la doble “rendija” de Thomas Young, però intercanviava energia de forma discreta en paquets d’energia, fotons, energia de la qual depèn de la freqüència de la radiació electromagnètica. Les idees clàssiques sobre l’absorció de radiació electromagnètica per un electró suggerien que l’energia és absorbida de manera continua. Aquest tipus d’explicacions es trobaven en llibres clàssics com el llibre de Millikan sobre els electrons o l’escrit per Compton i Allison sobre la teoria i experimentació de raigs X. Aquestes idees van ser ràpidament reemplaçats darrera l’explicació quàntica de Albert Einstein.

Efecte fotoelèctric actualitzat[modifica | modifica el codi]

El efecte fotoelèctric és la base de la producció d’energia solar fotovoltaica. Aquest principi s’utilitza també per la fabricació de cèl·lules utilitzades en els detectors de llama de les calderes de les grans centrals termoelèctriques, així com pels sensors usats en les càmeres digitals. També s’utilitza en didos fotosensibles tals com els que s’utilitzen en les cèl·lules fotovoltaiques i en electroscopis o electròmetres. En l’actualitat els materials fotosensibles més utilitzats són, a part dels derivats del cobre, el silici, que produeix corrents elèctriques majors.

L’efecte fotoelèctric també es manifesta en cossos exposats a la llum solar de forma prolongada. Per exemple, les partícules de pols de la superfície lunar adquireixen carga positiva degut al impacte dels fotons. Les partícules cargades es repelen mútuament elevant-se de la superfície i formant una tènue atmosfera. Els satèl·lits especials també adquireixen carga elèctrica positiva en les seves superfícies il·luminades i negativa en les regions fosques, per el qual es necessari tenir en compte aquests efectes d’acumulació de carga en el seu disseny. [2]

Referències[modifica | modifica el codi]

  1. FISICANOVA: Una Aproximación a la Realidad (en es). FISICANOVA. ISBN 9789584447814. 
  2. Skoog, Douglas A.; Crouch, Stanley R.; Holler, F. James. Principios de analisis instrumental / Principles of Instrumental Analysis (en es). Cengage Learning, 2008-05-05. ISBN 9789706868299. 

Vegeu també[modifica | modifica el codi]