Efecto fotoeléctrico: definición, ecuación, características, aplicaciones

La naturaleza dual de la materia y la naturaleza dual de la radiación fueron nociones físicas innovadoras. Los científicos descubrieron uno de los secretos mejor guardados de la naturaleza a principios del siglo XX: la dualidad onda-partícula , o la naturaleza dual de la materia y la radiación. Todo está hecho de ondas y partículas.

¿Qué es un fotón?

Un fotón es la cantidad discreta más pequeña de energía electromagnética, también conocida como cuanto . Es la unidad fundamental de toda luz.

Los fotones están continuamente en movimiento y viajan a una velocidad constante de 2.998 x 10 ⁸ m/s hacia todos los observadores en el vacío. La velocidad de la luz, indicada por la letra c. Cada fotón tiene una cantidad específica de energía y momento. La energía del fotón es proporcionada por,

E=hν

dónde,

• h es la constante de Planck. El valor de la constante de Planck es h=6.626×10 ^–34 J s
• v es la frecuencia de la luz.

El impulso de un fotón está dado por,

p=h/λ

dónde,

• λ es la longitud de onda de la luz.
• h es la constante de Planck.

Propiedades del Fotón

Los fotones tienen las siguientes propiedades básicas:

• La cantidad de fotones que cruzan un área por unidad de tiempo aumenta a medida que aumenta la intensidad de la luz. No tiene ningún efecto sobre la energía de la radiación.
• Los campos eléctricos y magnéticos no tienen efecto sobre un fotón. No tiene carga eléctrica.
• Un fotón no tiene masa.
• Es una partícula de construcción robusta.
• Cuando se emite o absorbe radiación, se pueden generar o destruir fotones.
• Durante una colisión fotón-electrón, se conservan toda la energía y el momento.
• Un fotón es incapaz de decaer por sí solo.
• La energía de un fotón se puede transferir cuando interactúa con otras partículas.
• A diferencia de los electrones, que tienen un giro de 1/2, un fotón tiene un giro de uno. Su eje de giro es perpendicular a la dirección de desplazamiento. La polarización de la luz está respaldada por esta característica de los fotones.

Efecto fotoeléctrico

Cuando un metal se expone a la luz, se produce el efecto fotoeléctrico, en el que el metal emite electrones desde su capa de valencia. El electrón emitido se conoce como fotoelectrón , y este fenómeno se conoce comúnmente como fotoemisión .

Wilhelm Ludwig Franz Hallwachs fue el primero en notar el efecto fotoeléctrico, que luego confirmó Heinrich Rudolf Hertz. Este fenómeno, así como la naturaleza cuántica de la luz, fueron explicados por Einstein. En 1921, Einstein recibió el Premio Nobel de Física por su trabajo sobre el efecto fotoeléctrico.

Energía Umbral para el Efecto Fotoeléctrico

Los fotones que golpean la superficie del metal deben tener suficiente energía para vencer las fuerzas de atracción que unen los electrones a los núcleos para que ocurra el efecto fotoeléctrico. La energía umbral (representada por el símbolo Φ) es la cantidad mínima de energía requerida para quitar un electrón de un metal. La frecuencia de un fotón debe ser idéntica a la frecuencia umbral para que tenga la misma energía que la energía umbral (que es la frecuencia mínima de luz requerida para que ocurra el efecto fotoeléctrico). La longitud de onda correspondiente (llamada longitud de onda umbral) se indica generalmente con el signo λth _, y la frecuencia umbral se indica normalmente con el símbolo _νth . El siguiente es el vínculo entre la energía umbral y la frecuencia umbral.

Φ = hν _th = hc / λ _th

Relación entre la frecuencia del fotón incidente y la energía cinética del fotoelectrón emitido

E _fotón = Φ + E _electrón

hν = hν _th + 1/2 _{metro mi} v ²

dónde,

• E _fotón significa la energía del fotón incidente, que es igual a hν.
• Φ significa el umbral de energía de la superficie del metal, que es igual a hν _th .
• _{El electrón} E es la energía cinética del fotoelectrón, que es 1/2mev ² (m _e = masa del electrón = 9,1 x 10 ^-31 kg).

No habrá emisión de fotoelectrones si la energía del fotón es menor que la energía umbral (ya que las fuerzas de atracción entre los núcleos y los electrones no pueden ser superadas). Como resultado, si ν < ν _th , no se producirá el efecto fotoeléctrico. Habrá una emisión de fotoelectrones si la frecuencia del fotón es exactamente igual a la frecuencia umbral (ν=νth ₎ , pero su energía cinética será cero.

Condición mínima para el efecto fotoeléctrico

• Frecuencia Umbral (γ _th ): La frecuencia umbral para el metal es la frecuencia más baja de luz o radiación incidente que generará un efecto fotoeléctrico, es decir, la eyección de fotoelectrones desde una superficie metálica. Es constante para un metal, pero varios metales pueden tener valores variables.

Si γ = frecuencia del fotón incidente y γth = frecuencia umbral, entonces,

1. Si γ < γ _th , no habrá eyección de fotoelectrones y, como resultado, no habrá efecto fotoeléctrico.
2. Si γ=γth _{, los} fotoelectrones simplemente son expulsados ​​de la superficie del metal y la energía cinética del electrón es cero.
3. Si γ>γth _{, los} fotoelectrones y la energía cinética serán expulsados ​​de la superficie.

• Longitud de onda umbral (λ _th ): la superficie metálica con la mayor longitud de onda para la luz incidente se conoce como longitud de onda umbral durante la emisión de electrones.

λth = c _{/ γth}

Para λ = longitud de onda del fotón incidente, entonces

1. Si λ<λth _, se producirá el efecto fotoeléctrico y el electrón expulsado tendrá energía cinética.
2. Si λ= λ _th , el efecto fotoeléctrico será el único que se produzca, y la energía cinética del fotoelectrón expulsado será cero.
3. No habrá efecto fotoeléctrico si λ> _λth .

• Función de trabajo o energía de umbral (Φ): La función de trabajo/energía de umbral es la cantidad mínima de trabajo termodinámico requerido para quitar un electrón de un conductor a una ubicación en el vacío justo fuera de la superficie del conductor.

Φ = hγ _th = hc/λ _th

 Si E = energía de un fotón incidente, entonces

1. Si E<Φ, no habrá efecto fotoeléctrico.
2. Si E = Φ, solo ocurre el efecto fotoeléctrico, pero la energía cinética del fotoelectrón expulsado es 0.
3. Si E > fotoelectrón, el fotoelectrón será cero.
4. Si E > Φ, se producirá el efecto fotoeléctrico, al igual que la posesión de la energía cinética por parte del electrón expulsado.

Principio del efecto fotoeléctrico: una superficie metálica se irradia con luz en el efecto fotoeléctrico, y cuando la luz cae sobre la superficie del metal, se produce la fotoemisión y los fotoelectrones se expulsan de la superficie del metal. La energía del fotón de la onda se transmite a los electrones del átomo metálico, lo que provoca que los electrones se exciten y expulsen con cierta velocidad.

Ecuación del efecto fotoeléctrico

La energía del fotón es igual a la suma de la energía umbral del metal y la energía cinética del fotoelectrón.

Por lo tanto, la ecuación de la onda fotoeléctrica está dada por,

KE _máx =hv–ϕ

dónde,

• KE _max es la energía cinética máxima del fotoelectrón
• hv es la energía del fotón.
• φ es la función de trabajo del metal

La función de trabajo está determinada por el metal en cuestión y cambiará si se cambia el metal. La función de trabajo a veces se define en términos de frecuencia umbral, que es la frecuencia de la luz para la cual la energía cinética máxima del fotoelectrón emitido es cero.

ϕ=hv ₀

dónde,

• v ₀ es la frecuencia umbral.
• h es la constante de Planck.

La energía cinética máxima permanece constante a medida que aumenta la intensidad de la luz, pero aumenta el valor de la fotocorriente. 

Características del efecto fotoeléctrico

• La frecuencia umbral varía según el material; diferentes materiales tienen diferentes frecuencias de umbral.
• La corriente fotoeléctrica es proporcional a la intensidad de la luz.
• La energía cinética de los fotoelectrones está relacionada con la frecuencia de la luz.
• La frecuencia es directamente proporcional al potencial de frenado y el proceso es inmediato.

Factores que afectan el efecto fotoeléctrico

El efecto fotoeléctrico depende de:

1. La intensidad de la radiación incidente.
2. Una diferencia de potencial entre la placa de metal y el colector.
3. Frecuencia de la radiación incidente.

Aplicaciones del Efecto Fotoeléctrico

• Los paneles solares lo utilizan para generar energía. Las combinaciones de metales en estos paneles permiten generar energía a partir de una amplia variedad de longitudes de onda.
• Sensores de movimiento y posición: Se coloca un material fotoeléctrico frente a un LED UV o IR en este caso. La luz se apaga cuando se coloca un objeto entre el LED y el sensor, y el circuito electrónico reconoce un cambio en la diferencia de potencial.
• Los sensores de iluminación, como los que se encuentran en los teléfonos inteligentes, permiten el ajuste automático del brillo de la pantalla en respuesta a la luz ambiental. Esto se debe al hecho de que la cantidad creada actualmente por el efecto fotoeléctrico es proporcional a la cantidad de luz que incide en el sensor.
• Las cámaras digitales pueden detectar y registrar la luz porque tienen sensores fotoeléctricos que responden a diferentes colores de luz.
• Espectroscopía de fotoelectrones de rayos X (XPS): este enfoque consiste en irradiar una superficie con rayos X y medir la energía cinética de los electrones que se liberan. Se pueden adquirir características importantes de la química de una superficie, como la composición elemental, la composición química, la fórmula empírica de los compuestos y el estado químico.
• En las alarmas antirrobo se utilizan células fotoeléctricas.
• Los fotomultiplicadores lo usan para detectar niveles bajos de luz.
• En los primeros días de la televisión, se usaba en tubos de cámaras de video.
• Este fenómeno se utiliza en los sistemas de visión nocturna.
• El efecto fotoeléctrico también es útil en la investigación de reacciones nucleares. Debido a que los electrones liberados tienden a transportar energía específica que es distintiva de la fuente atómica, se utiliza en el estudio químico de los materiales.

Ejemplos de preguntas

Pregunta 1: ¿Cuál es la masa de un fotón?

Responder:

La masa en reposo del fotón es cero, lo que indica que si el fotón se está moviendo, tendrá cierto impulso, que es equivalente a la masa, pero en reposo, la masa del fotón será cero.

Pregunta 2: ¿Qué es la frecuencia umbral?

Responder:

La frecuencia umbral de la luz es la frecuencia en la que la energía cinética del fotoelectrón es cero y es suficiente para emitir fotoelectrones. La función de trabajo del metal es igual a la energía asociada con la frecuencia umbral.

Pregunta 3: Una luz de longitud de onda de 4000Å incide sobre una placa de metal cuya función de trabajo es 2eV. ¿Cuál es la energía cinética máxima del fotoelectrón emitido?

Responder:

La longitud de onda de la luz es λ=4000Å y la función de trabajo, φ0=2eV

De la ecuación fotoeléctrica de Einstein, la energía cinética máxima del fotoelectrón está dada por,

Kmáx =(hc/λ–φ0 ₎

donde ‘h’ es la constante de Planck y ‘c’ es la velocidad de la luz en el vacío.

K _máx =(6,6×10 ^–34 ×3×10 ⁸ /4000×10 ^–10 –(2×1,6×10 ^–19 ))

Kmáx =4,95×10 ^–19 /1,6 ×10 ^{–19 eV–} _2eV =1,1eV

La energía cinética máxima 1.1eV.

Pregunta 4: El valor del potencial de retardo necesario para detener los fotoelectrones expulsados ​​de una superficie metálica de función de trabajo 1.2eV con la luz de energía 2eV es

Responder:

La función de trabajo del metalφ=1.2eV y la energía de los fotones es hν=2eV.

La energía cinética máxima de los fotoelectrones viene dada por la ecuación fotoeléctrica de Einstein:

eV=hv–φ

Donde ‘V’ es potencial de retardo o potencial de frenado.

h es la constante de Planck.

φ es la función de trabajo del metal.

V=(2eV–12eV)/e=0,8V

Por lo tanto, el potencial de retardo es de 0,8 V.

Pregunta 5: ¿Qué es el potencial de frenado?

Responder:

Cuando el metal iluminado se retiene en el cátodo, el potencial de frenado es el potencial más bajo en el que ningún fotoelectrón llega al áNode.

Pregunta 6: ¿Qué es la función de trabajo?

Responder:

La cantidad mínima de energía necesaria para extraer un electrón de la capa de valencia de un metal. Todo depende del tipo de metal que estemos usando. Sólo a frecuencias superiores a la frecuencia umbral se produce el efecto fotoeléctrico; si la frecuencia de la onda luminosa es inferior a la frecuencia umbral, no se produce el efecto fotoeléctrico.