Radiación de fotoelectrones: significado físico, leyes y aplicaciones
El fenómeno de la emisión de fotoelectrones (o efecto fotoeléctrico externo) fue descubierto experimentalmente en 1887 por Heinrich Hertz durante un experimento de cavidad abierta. Cuando Hertz dirigió la radiación ultravioleta a las chispas de zinc, al mismo tiempo, el paso de una chispa eléctrica a través de ellas fue notablemente más fácil.
De este modo, La radiación de fotoelectrones se puede llamar el proceso de emisión de electrones en el vacío (o en otro medio) de cuerpos sólidos o líquidos bajo la influencia de la radiación electromagnética que cae sobre ellos. El más significativo en la práctica es la emisión de fotoelectrones de cuerpos sólidos, en el vacío.
1. La radiación electromagnética con una composición espectral constante que cae sobre el fotocátodo provoca una fotocorriente saturada I, cuyo valor es proporcional a la irradiación del cátodo, es decir, la cantidad de fotoelectrones eliminados (emitidos) en 1 segundo es proporcional a la intensidad de la radiación incidente F.
2.Para cada sustancia, de acuerdo con su naturaleza química y con un cierto estado de su superficie, que determina la función de trabajo Ф de los electrones de una sustancia dada, existe un límite de onda larga (rojo) de radiación de fotoelectrones, es decir , la frecuencia mínima v0 por debajo de la cual el efecto fotoeléctrico es imposible.
3. La velocidad inicial máxima de los fotoelectrones está determinada por la frecuencia de la radiación incidente y no depende de su intensidad. En otras palabras, la energía cinética máxima de los fotoelectrones aumenta linealmente con el aumento de la frecuencia de la radiación incidente y no depende de la intensidad de esta radiación.
En principio, las leyes del efecto fotoeléctrico externo se cumplirían estrictamente solo a la temperatura del cero absoluto, mientras que, de hecho, a T > 0 K, la emisión de fotoelectrones también se observa en longitudes de onda más largas que la longitud de onda de corte, aunque con un pequeño número de emitiendo electrones. A una intensidad extremadamente alta de radiación incidente (más de 1 W/cm 2 ), estas leyes también se violan, ya que la severidad de los procesos multifotónicos se vuelve obvia y significativa.
Físicamente, el fenómeno de la emisión de fotoelectrones son tres procesos consecutivos.
En primer lugar, el fotón incidente es absorbido por la sustancia, por lo que en el interior de la sustancia aparece un electrón con energía superior a la media sobre el volumen. Este electrón se mueve hacia la superficie del cuerpo y en el camino se disipa parte de su energía, porque en el camino dicho electrón interactúa con otros electrones y vibraciones de la red cristalina. Finalmente, el electrón ingresa al vacío u otro medio fuera del cuerpo, pasando a través de una barrera de potencial en el límite entre estos dos medios.
Como es típico de los metales, en las partes visible y ultravioleta del espectro, los fotones son absorbidos por los electrones de conducción. Para semiconductores y dieléctricos, los electrones se excitan desde la banda de valencia. En cualquier caso, una característica cuantitativa de la emisión de fotoelectrones es el rendimiento cuántico, Y, el número de electrones emitidos por fotón incidente.
El rendimiento cuántico depende de las propiedades de la sustancia, del estado de su superficie, así como de la energía de los fotones incidentes.
En los metales, el límite de longitud de onda larga de la emisión de fotoelectrones está determinado por la función de trabajo del electrón de su superficie. La mayoría de los metales de superficie limpia tienen una función de trabajo superior a 3 eV, mientras que los metales alcalinos tienen una función de trabajo de 2 a 3 eV.
Por esta razón, la emisión de fotoelectrones desde la superficie de los metales alcalinos y alcalinotérreos se puede observar incluso cuando se irradian con fotones en la región visible del espectro, no solo UV. Mientras que en los metales ordinarios, la emisión de fotoelectrones solo es posible a partir de frecuencias UV.
Esto se usa para reducir la función de trabajo del metal: una película (capa monoatómica) de metales alcalinos y alcalinotérreos se deposita sobre un metal ordinario y, por lo tanto, el límite rojo de emisión de fotoelectrones se desplaza a la región de ondas más largas.
La característica de rendimiento cuántico Y de los metales en las regiones visibles y de UV cercano es del orden de menos de 0,001 electrón/fotón porque la profundidad de fuga de fotoelectrones es pequeña en comparación con la profundidad de absorción de luz del metal.La mayor parte de los fotoelectrones disipan su energía incluso antes de acercarse al límite de salida del metal, perdiendo cualquier posibilidad de salida.
Si la energía del fotón está cerca del umbral de fotoemisión, la mayoría de los electrones se excitarán a energías por debajo del nivel de vacío y no contribuirán a la corriente de fotoemisión. Además, el coeficiente de reflexión en el UV cercano y las regiones visibles es demasiado alto para los metales, por lo que el metal absorberá solo una fracción muy pequeña de la radiación. En la región UV lejana, estos límites disminuyen y Y alcanza 0,01 electrón/fotón a energías de fotones superiores a 10 eV.
La figura muestra la dependencia espectral del rendimiento cuántico de fotoemisión para una superficie de cobre puro:
La contaminación de la superficie metálica reduce la fotocorriente y desplaza el límite rojo a la región de longitud de onda más larga; al mismo tiempo, para la región ultravioleta lejana en estas condiciones, Y puede aumentar.
La radiación de fotoelectrones encuentra aplicación en dispositivos fotoelectrónicos que convierten señales electromagnéticas de varios rangos en corrientes y voltajes eléctricos. Por ejemplo, una imagen en señales infrarrojas invisibles se puede convertir en una visible mediante un dispositivo que funciona en base al fenómeno de la emisión de fotoelectrones. La radiación de fotoelectrones también funciona. en fotocélulas, en varios convertidores electrónico-ópticos, en fotomultiplicadores, fotoresistores, fotodiodos, en tubos de haz de electrones, etc.
Ver también:Cómo funciona el proceso de conversión de la energía solar en energía eléctrica