EFECTO FOTOELECTRICO - Universidad Técnica de Machala

Universidad Técnica de Machala
Facultad de ciencias Químicas y de la Salud
Escuela de Bioquímica y Farmacia
Carrera de Bioquímica y Farmacia
Nombre: Romero Macas Helen Yuleisy
Guía: Pereira Guanuche Freddy Alberto
Curso: 1er semestre de Bioquímica y Farmacia
Paralelo: “B”
Año lectivo
2013-2014
Efecto fotoeléctrico
El efecto fotoeléctrico es el fenómeno en el que las partículas de luz llamadas fotón, impactan
con los electrones de un metal arrancando sus átomos. El electrón se mueve durante el
proceso, dado origen a una corriente eléctrica. Este fenómeno es aprovechado en las plantas
que utilizan paneles solares, los cuales reciben la energía lumínica del sol transformándola
en electricidad.
Albert Einstein publicó en 1905 varios artículos entre los cuales uno trataba del efecto
fotoeléctrico y por el cual recibió el premio Nobel de Física en 1922. Mucho antes, en 1900,
Max Plank había explicado el fenómeno de la radiación del cuerpo negro sugiriendo que la
energía estaba cuan tizada, pero Einstein llegó aún más lejos explicando -de acuerdo a los
cuantos de Plank- que no solo la energía sino también la materia son discontinuas.
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Fotoconductividad: es el aumento de la conductividad eléctrica de la materia o en
diodos provocada por la luz. Descubierta por Willoughby Smith en el selenio hacia
la mitad del siglo XIX.
Efecto fotovoltaico: transformación parcial de la energía lumínica en energía
eléctrica. La primera célula solar fue fabricada por Charles Fritts en 1884. Estaba
formada por selenio recubierto de una fina capa de oro.
Los fotones del rayo de luz tienen una energía característica determinada por la
frecuencia de la luz. En el proceso de fotoemisión, si un electrón absorbe la energía
de un fotón y éste último tiene más energía que la función trabajo, el electrón es
arrancado del material. Si la energía del fotón es demasiado baja, el electrón no puede
escapar de la superficie del material.
Aumentar la intensidad del haz no cambia la energía de los fotones constituyentes,
solo cambia el número de fotones. En consecuencia, la energía de los electrones
emitidos no depende de la intensidad de la luz, sino de la energía de los fotones.
Los electrones pueden absorber energía de los fotones cuando son irradiados, pero
siguiendo un principio de "todo o nada". Toda la energía de un fotón debe ser
absorbida y utilizada para liberar un electrón de un enlace atómico, o si no la energía
es re-emitida. Si la energía del fotón es absorbida, una parte libera al electrón del
átomo 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 de
ciertos metales, debido a una radiación luminosa, podían abandonar el metal con
energía cinética. Intentaba explicar el comportamiento de la radiación, que obedecía
a la intensidad de la radiación incidente, al conocerse la cantidad de electrones que
abandonaba el metal, y a la frecuencia de la misma, que era proporcional a la energía
que impulsaba a dichas partículas.
Leyes de la emisión fotoeléctrica
1. Para un metal y una frecuencia de radiación incidente dado, la cantidad de
fotoelectrones emitidos es directamente proporcional a la intensidad de luz incidente.2
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.
Electricidad producida por el efecto fotoeléctrico
Sabemos que la corriente eléctrica es el movimiento de electrones, siendo éstos portadores
de cargas eléctricas negativas. Cuando los electrones se mueven, se origina una corriente
eléctrica. La corriente es igual al número de cargas en movimiento entre un intervalo de
tiempo.
i = d(Q)/dt
i: Es la corriente eléctrica
Q: Es la carga eléctrica que atraviesa el área transversal de un conductor.
d/dt: Es un operador que indica la variación de cargas eléctricas respecto del tiempo.
Cuando una lámina de metal está expuesta a la luz a una sola frecuencia, digamos la luz solar,
se produce electricidad en su interior de esta manera: la luz cuando viaja se comporta como
una onda, pero al intercambiar su energía con cualquier objeto lo hace como una partícula
que es llamada fotón. Cuando el fotón choca con un electrón de un átomo de la lámina
metálica, desaparece y cede toda su energía al electrón, expulsándolo hacia otro átomo. Esta
expulsión electrónica es precisamente la corriente eléctrica.
Como el fotón desaparece durante la colisión, se hace fácil comprender que la energía de
movimiento absorbida por el electrón depende de un solo fotón. Esto nos indica que la
electricidad resultante no depende de la intensidad de la luz, sino más bien de la energía que
porta el fotón.
E = hF
'E' Es la energía que porta el fotón; 'h' es la constante de Planck, y 'F' es la frecuencia del
fotón de luz.
Tomando en cuenta que la lámina metálica contiene una cantidad enorme de átomos, debe
contener una cantidad mayor de electrones y como la frecuencia de la onda lumínica es la
misma, su intensidad será la misma; así cada electrón expulsado absorbe la misma cantidad
de energía.
Dualidad de la luz
En el contexto de la física clásica, el modelo corpuscular de la luz (según el cual está
constituida por fotones) y el modelo ondulatorio (según el cual consiste en la propagación
del campo electromagnético) son incompatibles. Pero en el marco de la física cuántica, ambos
comportamientos de la luz, que parecían contradictorios, se pudieron integrar en un modelo
coherente.
Louis-Víctor De Broglie
Un avance fundamental que permitió esta integración e impulsó el desarrollo de la física
cuántica fue una hipótesis, planteada por el físico francés de Broglie (1892-1987) en su tesis
doctoral de 1924. Dicha hipótesis atribuyó a toda partícula con impulso, p (para una partícula
de masa, m, y velocidad, v, p=m·v), una onda asociada, cuya longitud de onda es l = h/p (h
es una constante universal, llamada constante de Planck) La física cuántica generalizó la
hipótesis de Broglie, para considerar que toda entidad física (las partículas y también los
fotones) tiene una naturaleza dual, de tal forma que su comportamiento global
presenta dos aspectos complementarios: ondulatorio y corpuscular. Dependiendo del
experimento predomina uno de estos dos aspectos.
Así, el hecho de que un electrón, por ejemplo, tenga masa y cantidad de movimiento
(propiedades corpusculares), pero también una longitud de onda (propiedad ondulatoria),
supone que en una colisión con otro electrón, predomine el comportamiento corpuscular de
ambos, pero también ocurre que un haz de electrones se difracta cuando pasa por un pequeño
orificio circular de tamaño comparable a su longitud de onda. De hecho, si el haz de
electrones se hace incidir en una pantalla situada detrás del orificio, dibuja una figura como
a la mostrada a la derecha.
También dos haces de electrones pueden producir interferencias y así se comprueba en un
experimento consistente en hacerlos pasar a través de una rendija doble o múltiple. Estas
interferencias se producen aunque los electrones se lancen de uno en uno hacia las rendijas,
de manera que el resultado observado en la pantalla no es fruto de un proceso estadístico
producido por la incidencia de un número elevado de electrones, sino que realmente cada
electrón interfiere consigo mismo
Este mismo concepto de dualidad onda-partícula se aplica a los fotones, las entidades de masa
nula que forman la luz. Un fotón tiene un comportamiento corpuscular, por ejemplo, cuando
colisiona con otros fotón o, como ocurre en el efecto fotoeléctrico, con partículas (electrones,
protones...), pero un haz luminoso (un haz de fotones) manifiesta un comportamiento
ondulatorio (onda electromagnética) cuando, por ejemplo, se difracta, se polariza o produce
interferencias luminosas.