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Efecto fotoelectrico
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  • 1. IntroducciónCélula fotoeléctrica donde "1" es la fuente lumínica, "2" es el cátodo y "3", el ánodo.Los fotones tienen una energía característica determinada por la frecuencia de onda dela luz. Si un átomo absorbe energía de un fotón que tiene mayor energía que lanecesaria para expulsar un electron del material y que además posee una velocidadbien dirigida hacia la superficie, entonces el electrón puede ser extraído del material. Sila energía del fotón es demasiado pequeña, el electrón es incapaz de escapar de lasuperficie del material. Los cambios en la intensidad de la luz no modifican la energíade sus fotones, tan sólo el número de electrones que pueden escapar de la superficiesobre la que incide y por lo tanto la energía de los electrones emitidos no depende dela intensidad de la radiación que le llega, sino de su frecuencia. Si el fotón esabsorbido parte de la energía se utiliza para liberarlo del átomo y el resto contribuye adotar de energía cinética a la partícula libre.En principio, todos los electrones son susceptibles de ser emitidos por efectofotoeléctrico. En realidad los que más salen son los que necesitan menos energía parasalir y, de ellos, los más numerosos.En un aislante (dieléctrico), los electrones más energéticos se encuentran en la bandade valencia. En un metal, los electrones más energéticos están en la banda deconducción. En un semiconductor de tipo N, son los electrones de la banda deconducción que son los más energéticos. En un semiconductor de tipo P también, perohay muy pocos en la banda de conducción. Así que en ese tipo de semiconductor hayque ir a buscar los electrones de la banda de valencia.A la temperatura ambiente, los electrones más energéticos se encuentran cercadel nivel de Fermi (salvo en los semiconductores intrínsecos en los cuales no hayelectrones cerca del nivel de Fermi). La energía que hay que dar a un electrón parallevarlo desde el nivel de Fermi hasta el exterior del material se llama función trabajo, yla frecuencia mínima necesaria para que un electrón escape del metal recibe elnombre de frecuencia umbral. El valor de esa energía es muy variable y depende delmaterial, estado cristalino y, sobre todo de las últimas capas atómicas que recubren lasuperficie del material. Los metales alcalinos (sodio, calcio, cesio, etc.) presentan lasmás bajas funciones de trabajo. Aún es necesario que las superficies estén limpias alnivel atómico. Una de la más grandes dificultades de las experiencias de Millikan eraque había que fabricar las superficies de metal en el vacío.
  • 2. ExplicaciónLos fotones del rayo de luz tienen una energía característica determinada por lafrecuencia de la luz. En el proceso de fotoemisión, si un electrón absorbe la energía deun fotón y éste último tiene más energía que la función trabajo, el electrón esarrancado del material. Si la energía del fotón es demasiado baja, el electrón no puedeescapar de la superficie del material. Aumentar la intensidad del haz no cambia laenergía de los fotones constituyentes, solo cambia el número de fotones. Enconsecuencia, la energía de los electrones emitidos no depende de la intensidad de laluz, sino de la energía de los fotones individuales.Los electrones pueden absorber energía de los fotones cuando son irradiados, perosiguiendo un principio de "todo o nada". Toda la energía de un fotón debe serabsorbida y utilizada para liberar un electrón de un enlace atómico, o si no la energíaes re-emitida. Si la energía del fotón es absorbida, una parte libera al electrón delátomo y el resto contribuye a la energía cinética del electrón como una partícula libre.Einstein no se proponía estudiar las causas del efecto en el que los electrones deciertos metales, debido a una radiación luminosa, podían abandonar el metal conenergía cinética. Intentaba explicar el comportamiento de la radiación, que obedecía ala intensidad de la radiación incidente, al conocerse la cantidad de electrones queabandonaba el metal, y a la frecuencia de la misma, que era proporcional a la energíaque impulsaba a dichas partículas.Leyes de la emisión fotoeléctrica 1. Para un metal y una frecuencia de radiación incidente dados, la cantidad de fotoelectrones emitidos es directamente proporcional a la intensidad de luz incidente. 2. Para cada metal dado, existe una cierta frecuencia mínima de radiación incidente debajo de la cual ningún fotoelectrón puede ser emitido. Esta frecuencia se llama frecuencia de corte, también conocida como "Frecuencia Umbral". 3. Por encima de la frecuencia de corte, la energía cinética máxima del fotoelectrón emitido es independiente de la intensidad de la luz incidente, pero depende de la frecuencia de la luz incidente. 4. La emisión del fotoelectrón se realiza instantáneamente, independientemente de la intensidad de la luz incidente. Este hecho se contrapone a la teoría Clásica:la Física Clásica esperaría que existiese un cierto retraso entre la absorción de energía y la emisión del electrón, inferior a un nanosegundo.
  • 3. Formulación matemáticaPara analizar el efecto fotoeléctrico cuantitativamente utilizando el método derivado porEinstein es necesario plantear las siguientes ecuaciones:Energía de un fotón absorbido = Energía necesaria para liberar 1 electrón + energíacinética del electrón emitido.Algebraicamente: , que puede también escribirse como .donde h es la constante de Planck, f0 es la frecuencia de corte o frecuencia mínima delos fotones para que tenga lugar el efecto fotoeléctrico, Φ es la función trabajo, omínima energía necesaria para llevar un electrón del nivel de Fermi al exterior delmaterial y Ek es la máxima energía cinética de los electrones que se observaexperimentalmente.  Nota: Si la energía del fotón (hf) no es mayor que la función de trabajo (Φ), ningún electrón será emitido. En algunos materiales esta ecuación describe el comportamiento del efecto fotoeléctrico de manera tan sólo aproximada. Esto es así porque el estado de las superficies no es perfecto (contaminación no uniforme de la superficie externa).