Cuando la luz incide sobre determinadas sustancias, las propiedades eléctricas de la sustancia cambian, es decir, la energía luminosa se convierte en energía eléctrica. Este fenómeno de cambio fotoeléctrico se denomina colectivamente efecto fotoeléctrico.
El efecto fotoeléctrico se puede dividir en emisión de fotoelectrones, efecto de fotoconductividad y efecto fotovoltaico. El primer fenómeno ocurre en la superficie de un objeto y también se llama efecto fotoeléctrico externo. Los dos últimos fenómenos ocurren dentro de los objetos y se denominan efectos fotoeléctricos internos.
Hertz descubrió el efecto fotoeléctrico en 1887, y Einstein fue el primero en explicarlo con éxito. El efecto de los electrones emitidos por una superficie metálica bajo irradiación de luz se llama fotoelectrones. Solo cuando la longitud de onda de la luz es menor que un cierto valor crítico, se pueden emitir electrones, que es la longitud de onda límite, y la frecuencia de la luz correspondiente se denomina frecuencia límite. El valor crítico depende del material metálico y la energía del electrón emitido depende de la longitud de onda de la luz, independientemente de la intensidad de la luz, y no puede explicarse por la fluctuación de la luz. También existe una contradicción con la fluctuación de la luz, que es el carácter instantáneo del efecto fotoeléctrico. Según la teoría de la fluctuación, si la luz incidente es débil y el tiempo de irradiación es largo, los electrones del metal pueden acumular suficiente energía y salir volando de la superficie del metal. Pero el hecho es que mientras la frecuencia de la luz sea superior a la frecuencia límite del metal, independientemente del brillo de la luz, la generación de fotones es casi instantánea, no más de diez menos nueve segundos. La interpretación correcta es que la luz debe consistir en unidades de energía estrictamente definidas (es decir, fotones o cuantos de luz) relacionadas con la longitud de onda.
En el efecto fotoeléctrico, la dirección de emisión de los electrones no es completamente direccional, sino que se emite mayoritariamente perpendicular a la superficie del metal, independientemente de la dirección de iluminación. La luz es una onda electromagnética, pero es un campo electromagnético ortogonal que oscila a alta frecuencia. La amplitud es muy pequeña y no afecta la dirección de emisión de los electrones.
[Editar este párrafo] Historia del desarrollo teórico
El efecto fotoeléctrico fue descubierto por el físico alemán Hertz en 1887, que jugó un papel fundamental en el desarrollo de la teoría cuántica.
1887 fue descubierto por primera vez por M. Hertz en experimentos para demostrar la teoría ondulatoria. En ese momento, Hertz descubrió que cuando una de dos esferas de zinc era iluminada con luz ultravioleta, las chispas entre las dos esferas saltaban muy fácilmente.
Hacia 1900, Max Planck dio una explicación preliminar del efecto fotoeléctrico e introdujo la teoría de que la luz contiene energía. Redujo esta teoría a una ecuación, a saber, E=hf, donde E es el "paquete" de energía de la luz, h es una constante, denominada colectivamente constante de Planck, y f es la frecuencia de la fuente de luz. En otras palabras, la intensidad de la energía luminosa está determinada por su frecuencia. Pero ni siquiera el propio Blanco estaba seguro de si la luz estaba atrapada.
En 1902, Lenard también lo estudió y señaló que el efecto fotoeléctrico es un fenómeno en el que los electrones del metal absorben la energía de la luz incidente y escapan de la superficie. Sin embargo, no pudo explicarse según las teorías de la época;
En 1905, a la edad de 26 años, Einstein propuso la hipótesis del fotón y explicó con éxito el efecto fotoeléctrico, ganando así el Premio Nobel de 1921 en Física. Amplió aún más la teoría de Blanco y derivó la fórmula Ek=hf-W, donde W es la energía necesaria para liberar electrones de la superficie del metal. Ek es la energía potencial del electrón cuando está libre.
[Editar este párrafo] Clasificación del efecto fotoeléctrico
El efecto fotoeléctrico se puede dividir en efecto fotoeléctrico externo y efecto fotoeléctrico interno.
El efecto fotoeléctrico interno es un fenómeno en el que los portadores (electrones libres o huecos) generados por la excitación de la luz siguen moviéndose dentro del material, cambiando la conductividad del material o generando energía fotovoltaica. El efecto fotoeléctrico externo es un fenómeno en el que los electrones generados por la excitación de la luz escapan de la superficie de un material y forman electrones en el vacío.
Efecto fotoeléctrico externo
Bajo la acción de la luz, el fenómeno de que los electrones de un objeto escapen de la superficie del objeto y se emitan hacia el exterior se denomina efecto fotoeléctrico externo.
Algunas reglas experimentales del efecto fotoeléctrico externo
A. Sólo cuando la frecuencia de la luz que ilumina el objeto no es inferior a un cierto valor, el objeto puede emitir fotoelectrones. Esta frecuencia se denomina frecuencia límite (o frecuencia de corte) y la longitud de onda correspondiente λ0 se denomina longitud de onda límite. Las frecuencias límite y las correspondientes longitudes de onda límite λ0 de diferentes materiales son diferentes.
Longitudes de onda limitantes de determinados metales (unidad: Angstrom):
Cesio, sodio, zinc, plata y platino
6520 5400 3720 2600 1960
B. La velocidad inicial de los fotoelectrones que salen del objeto está relacionada con la frecuencia de la luz irradiada, pero no tiene nada que ver con la intensidad luminosa. En otras palabras, la energía cinética inicial de los fotoelectrones sólo está relacionada con la frecuencia de la luz irradiada y no tiene nada que ver con la intensidad luminosa.
c.El haz de fotoelectrones emitido por el cátodo (material metálico que emite fotoelectrones) es proporcional a la intensidad de la luz de iluminación.
D. Por experimentos, sabemos que el proceso de generación de fotocorriente es muy rápido, generalmente no más de 10 a 9 segundos; cuando se detiene la irradiación de luz, la fotocorriente se detiene inmediatamente. Esto muestra que el efecto fotoeléctrico es instantáneo.
Ecuación de Einstein: h υ = (1/2) mv 2+I+w.
Donde (1/2)mv 2 es la energía cinética inicial del fotoelectrón que sale del objeto. Hay una gran cantidad de electrones libres en los metales, lo cual es una característica de los metales, por lo que para los metales, se puede omitir el término I y la ecuación de Einstein se convierte en H υ = (1/2) MV 2+W si H υ
Nota: Si la energía del fotón (hf) no es mayor que la función de trabajo (φ), el electrón no será emitido. La función de trabajo a veces se denomina w. Cuando esta fórmula no concuerda con las observaciones (es decir, no se emiten electrones o la energía cinética de los electrones es menor de lo esperado), puede ser que el sistema no sea completamente eficiente y algunos de los la energía se pierde en forma de calor o radiación. Einstein ganó el Premio Nobel de Física en 1921 por su exitosa explicación del efecto fotoeléctrico.
Los componentes electrónicos basados en el efecto fotoeléctrico externo incluyen células fotovoltaicas y tubos fotomultiplicadores. Los tubos fotomultiplicadores convierten destellos de luz en pulsos eléctricos amplificados, que luego se envían a circuitos electrónicos y se registran.