Efeito fotoeléctrico

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Consiste na emissão de elétrons por um material quando se lhe alumia com radiación electromagnética (luz visível ou ultravioleta, em general). Às vezes incluem-se no termo outros tipos de interacção entre a luz e a matéria:

Fotoconductividad: é o aumento da conductividad eléctrica da matéria ou em diodos provocada pela luz. Descoberta por Willoughby Smith no selenio para a metade do século XIX.
Efeito fotovoltaico: transformação parcial da energia luminosa em energia eléctrica. A primeira célula solar foi fabricada por Charles Fritts em 1884. Estava formada por selenio recoberto de uma fina capa de ouro.

O efeito fotoeléctrico foi descoberto e descrito por Heinrich Hertz em 1887 , ao observar que o arco que salta entre dois eléctrodos conectados a alta tensão atinge distâncias maiores quando se alumia com luz ultravioleta que quando se deixa na escuridão. A explicação teórica só foi feita por Albert Einstein, quem publicou em 1905 o revolucionário artigo “Heurística da geração e conversão da luz”, baseando sua formulación da fotoelectricidad em uma extensão do trabalho sobre os quantos de Max Planck. Mais tarde Robert Andrews Millikan passou dez anos experimentando para demonstrar que a teoria de Einstein não era correcta, para finalmente concluir que sim o era. Isso permitiu que Einstein e Millikan fossem agraciados com sendos prêmios Nobel em 1921 e 1923, respectivamente.

Conteúdo

1 Introdução
2 Explicação
- 2.1 Leis da emissão fotoeléctrica
3 Formulación matemática
4 História
5 Efeito fotoeléctrico na actualidade
6 Veja-se também
7 Enlaces externos

Introdução

Célula fotoeléctrica onde "1" é a fonte lumínica, "2" é o cátodo e "3", o ánodo.

Os fotones têm uma energia característica determinada pela frequência de onda da luz. Se um átomo absorve energia de um fotón que tem maior energia que a necessária para expulsar um electron do material e que ademais possui uma velocidade bem dirigida para a superfície, então o elétron pode ser extraído do material. Se a energia do fotón é demasiado pequena, o elétron é incapaz de escapar da superfície do material. As mudanças na intensidade da luz não modificam a energia de suas fotones, tão só o número de elétrons que podem escapar da superfície sobre a que incide e portanto a energia dos elétrons emitidos não depende da intensidade da radiación que lhe chega, senão de sua frequência. Se o fotón é absorvido parte da energia utiliza-se para libertá-lo do átomo e o resto contribui a dotar de energia cinética à partícula livre.

Em princípio, todos os elétrons são susceptíveis de ser emitidos por efeito fotoeléctrico. Em realidade os que mais saem são os que precisam menos energia para sair e, deles, os mais numerosos.

Em um aislante (dieléctrico), os elétrons mais energéticos encontram-se na banda de valencia. Em um metal, os elétrons mais energéticos estão na banda de condução. Em um semiconductor de tipo N, são os elétrons da banda de condução que são os mais energéticos. Em um semiconductor de tipo P também, mas há muito poucos na banda de condução. De modo que nesse tipo de semiconductor há que ir procurar os elétrons da banda de valencia.

À temperatura ambiente, os elétrons mais energéticos encontram-se cerca do nível de Fermi (salvo nos semiconductores intrínsecos nos quais não há elétrons cerca do nível de Fermi). A energia que há que dar a um elétron para levar desde o nível de Fermi até o exterior do material se chama função trabalho, e a frequência mínima necessária para que um elétron escape do metal recebe o nome de frequência ombreira. O valor dessa energia é muito variável e depende do material, estado cristalino e, sobretudo das últimas capas atómicas que recobrem a superfície do material. Os metais alcalinos (sodio, calcio, cesio, etc.) apresentam as mais baixas funções de trabalho. Ainda é necessário que as superfícies estejam limpas ao nível atómico. Uma das maiores dificuldades das experiências de Millikan era que tinha que fabricar as superfícies de metal no vazio.

Explicação

Os fotones do raio de luz têm uma energia característica determinada pela frequência da luz. No processo de fotoemisión, se um elétron absorve a energia de um fotón e este último tem mais energia que a função trabalho, o elétron é arrancado do material. Se a energia do fotón é demasiado baixa, o elétron não pode escapar da superfície do material. Aumentar a intensidade do faz não muda a energia dos fotones constituintes, só muda o número de fotones. Em consequência, a energia dos elétrons emitidos não depende da intensidade da luz, senão da energia dos fotones individuais.

Os elétrons podem absorver energia dos fotones quando são irradiados, mas seguindo um princípio de "todo ou nada". Toda a energia de um fotón deve ser absorvida e utilizada para libertar um elétron de um enlace atómico, ou se não a energia é re-emitida. Se a energia do fotón é absorvida, uma parte liberta ao elétron do átomo e o resto contribui à energia cinética do elétron como uma partícula livre.

Einstein não se propunha estudar as causas do efeito no que os elétrons de certos metais, devido a uma radiación luminosa, podiam abandonar o metal com energia cinética. Tentava explicar o comportamento da radiación, que obedecia à intensidade da radiación incidente, ao se conhecer a quantidade de elétrons que abandonava o metal, e à frequência da mesma, que era proporcional à energia que impulsionava a ditas partículas.

Leis da emissão fotoeléctrica

Para um metal e uma frequência de radiación incidente dados, a quantidade de fotoelectrones emitidos é directamente proporcional à intensidade de luz incidente.
Para a cada metal dado, existe uma verdadeira frequência mínima de radiación incidente embaixo da qual nenhum fotoelectrón pode ser emitido. Esta frequência chama-se frequência de corte, também conhecida como "Frequência Ombreira".
Acima da frequência de corte, a energia cinética máxima do fotoelectrón emitido é independente da intensidade da luz incidente, mas depende da frequência da luz incidente.
O tempo de atraso entre a incidencia da radiación e a emissão do fotoelectrón é muito pequena, menos que 10^-9 segundos.

Formulación matemática

Para analisar o efeito fotoeléctrico quantitativamente utilizando o método derivado por Einstein é necessário propor as seguintes equações:

Energia de um fotón absorvido Energia necessária para libertar 1 elétron + energia cinética do elétron emitido.

Algebraicamente:

$hf = hf_0 + {1 \over 2}{m}{v_m}^2$ ,

que pode também se escrever como

$hf = \phi + E_k\,$ .

onde h é a constante de Planck, f₀ é a frequência de corte ou frequência mínima dos fotones para que tenha lugar o efeito fotoeléctrico, Φ é a função trabalho, ou mínima energia necessária para levar um elétron do nível de Fermi ao exterior do material e _{E k} é a máxima energia cinética dos elétrons que se observa experimentalmente.

Nota: Se a energia do fotón (hf) não é maior que a função de trabalho (Φ), nenhum elétron será emitido.

Em alguns materiais esta equação descreve o comportamento do efeito fotoeléctrico de maneira tão só aproximada. Isto é assim porque o estado das superfícies não é perfeito (contaminação não uniforme da superfície externa).

História

Heinrich Hertz

As primeiras observações do efeito fotoeléctrico foram levadas a cabo por Heinrich Hertz em 1887 em seus experimentos sobre a produção e recepção de ondas electromagnéticas. Seu receptor consistia em uma bobina na que se podia produzir uma chispa como produto da recepção de ondas electromagnéticas. Para observar melhor a chispa Hertz encerrou seu receptor em uma caixa negra. No entanto a longitude máxima da chispa reduzia-se neste caso comparada com as observações de chispas anteriores. Efectivamente a absorción de luz ultravioleta facilitava o salto dos elétrons e a intensidade da chispa eléctrica produzida no receptor. Hertz publicou um artigo com seus resultados sem tentar explicar o fenómeno observado.

J.J. Thomson

Em 1889 , o físico britânico Joseph John Thomson pesquisava os raios catódicos. Influenciado pelos trabalhos de James Clerk Maxwell, Thomson deduziu que os raios catódicos consistiam de um fluxo de partículas carregadas negativamente aos que chamou corpúsculos e agora conhecemos como elétrons.

Thomson utilizava uma placa metálica encerrada em um cano de vazio como cátodo expondo este a luz de diferente longitude de onda. Thomson pensava que o campo electromagnético de frequência variável produzia ressonâncias com o campo eléctrico atómico e que se estas atingiam uma amplitude suficiente podia se produzir a emissão de um "corpúsculo" subatómico de ónus eléctrica e portanto o passo da corrente eléctrica.

A intensidade desta corrente eléctrica variava com a intensidade da luz. Incrementos maiores da intensidade da luz produziam incrementos maiores da corrente. A radiación de maior frequência produzia a emissão de partículas com maior energia cinética.

Von Lenard

Em 1902 Philipp von Lenard realizou observações do efeito fotoeléctrico nas que se punha de manifesto a variação de energia dos elétrons com a frequência da luz incidente.

A energia cinética dos elétrons podia medir-se a partir da diferença de potencial necessária para frear em um cano de raios catódicos. A radiación ultravioleta requeria por exemplo potenciais de freado maiores que a radiación de maior longitude de onda. Os experimentos de Lenard arrojavam dados unicamente cualitativos dadas as dificuldades da equipa instrumental com o qual trabalhava.

Quantos de luz de Einstein

Em 1905 Albert Einstein propôs uma descrição matemática deste fenómeno que parecia funcionar correctamente e na que a emissão de elétrons era produzida pela absorción de quantos de luz que mais tarde seriam chamados fotones. Em um artigo titulado "Um ponto de vista heurístico sobre a produção e transformação da luz" mostrou como a ideia de partículas discretas de luz podia explicar o efeito fotoeléctrico e a presença de uma frequência característica para a cada material por embaixo da qual não se produzia nenhum efeito. Por esta explicação do efeito fotoeléctrico Einstein receberia o Prêmio Nobel de Física em 1921 .

O trabalho de Einstein predizia que a energia com a que os elétrons escapavam do material aumentava linealmente com a frequência da luz incidente. Surpreendentemente este aspecto não tinha sido observado em experiências anteriores sobre o efeito fotoeléctrico. A demonstração experimental deste aspecto foi levada a cabo em 1915 pelo físico estadounidense Robert Andrews Millikan.

Dualidad onda-corpúsculo

Artigo principal: Dualidad onda-corpúsculo

O efeito fotoeléctrico foi um dos primeiros efeitos físicos que pôs de manifesto a dualidad onda-corpúsculo característica da mecânica cuántica. A luz comporta-se como ondas podendo produzir interferências e difracción como no experimento da dupla rendija de Thomas Young, mas troca energia de forma discreta em pacotes de energia, fotones, cuja energia depende da frequência da radiación electromagnética. As ideias clássicas sobre a absorción de radiación electromagnética por um elétron sugeriam que a energia é absorvida de maneira contínua. Este tipo de explicações encontravam-se em livros clássicos como o livro de Millikan sobre os Elétrons ou o escrito por Compton e Allison sobre a teoria e experimentación com raios X. Estas ideias foram rapidamente substituídas depois da explicação cuántica de Albert Einstein.

Efeito fotoeléctrico na actualidade

O efeito fotoeléctrico é a base da produção de energia eléctrica por radiación solar e do aprovechamiento energético da energia solar. O efeito fotoeléctrico utiliza-se também para a fabricação de células utilizadas nos detectores de lume das calderas das grandes centrais termoeléctricas. Este efeito é também o princípio de funcionamento dos sensores utilizados nas câmaras digitais. Também se utiliza em diodos fotosensibles tais como os que se utilizam nas células fotovoltaicas e em electroscopios ou electrómetros. Na actualidade os materiais fotosensibles mais utilizados são, aparte dos derivados do cobre (agora em menor uso), o silício, que produz correntes eléctricas maiores.

O efeito fotoeléctrico também se manifesta em corpos expostos à luz solar de forma prolongada. Por exemplo, as partículas de pó da superfície lunar adquirem ónus positiva devido ao impacto de fotones. As partículas carregadas se repelen mutuamente elevando da superfície e formando uma ténue atmosfera. Os satélites espaciais também adquirem ónus eléctrica positiva em suas superfícies alumiadas e negativa nas regiões escurecidas, pelo que é necessário ter em conta estes efeitos de agregado de ónus em seu desenho.