Efeito fotoelétrico

Definição do efeito fotoelétrico

O efeito fotoelétrico se refere ao que acontece quando os elétrons são emitidos de um material que absorveu radiação eletromagnética.

O efeito fotoelétrico é a emissão de elétrons quando as radiações eletromagnéticas têm incidência de frequência suficiente em certas superfícies metálicas.

Chamamos os elétrons emitidos de fotoelétrons e a corrente que eles constituem de fotocorrente.

O efeito fotoelétrico é o fenômeno no qual a absorção de radiação eletromagnética, como luz, de frequência suficientemente alta por uma superfície, geralmente metálica, induz a emissão de elétrons da superfície.

O efeito fotoelétrico se refere à emissão ou ejeção de elétrons da superfície de um metal em resposta à luz incidente.

Isso ocorre porque a energia dos fótons de luz incidentes tem energia superior ao potencial de trabalho da superfície metálica, ejetando elétrons com energia cinética positiva.

O fenômeno foi observado pela primeira vez por Heinrich Hertz em 1880 e explicado por Albert Einstein em 1905 usando a teoria quântica da luz de Max Planck.

Efeito fotoelétrico

O que é o efeito fotoelétrico?

Quando a matéria é atingida por ondas eletromagnéticas com comprimentos de onda relativamente curtos, como a luz ultravioleta ou a luz visível, seus átomos podem emitir elétrons.

Esse processo é conhecido como efeito fotoelétrico ou, menos comumente, efeito Hertz, e ocorre porque as ondas eletromagnéticas possuem energia capaz de desalojar os elétrons de um átomo.

A observação do efeito fotoelétrico ajudou a esclarecer algumas questões sobre a natureza da luz e sobre a natureza dos átomos. A luz, descobriu-se, pode atuar tanto como onda quanto como partícula; a luz viaja em movimento de onda, mas pode impactar fisicamente as superfícies e até mesmo causar mudanças mecânicas ao desalojar elétrons dos átomos.

O efeito fotoelétrico é geralmente observado quando a luz incide sobre superfícies metálicas.

O feixe de luz que brilha em uma superfície de metal é conhecido como fotocátodo, e os elétrons que ele ejeta de um átomo são chamados de fotoelétrons. O brilho da luz em uma superfície de metal condutiva pode, na verdade, causar a formação de uma corrente elétrica, chamada fotocorrente.

Um material que é sensível à luz, como os metais que podem transportar uma corrente elétrica devido à luz, são chamados de substâncias fotossensíveis.

O número de elétrons ejetados como resultado do efeito fotoelétrico está intimamente relacionado à frequência e à intensidade da luz que brilhou na superfície do metal. A luz de baixa frequência, que tem um comprimento de onda longo, tende a desalojar poucos ou nenhum elétrons de uma superfície metálica. Isso é verdadeiro se a luz for de alta ou baixa intensidade. Em alta frequência, porém, a luz tende a desalojar muito mais elétrons, especialmente se a luz for particularmente intensa. Isso basicamente significa que, em qualquer intensidade, a luz vermelha irá liberar poucos elétrons, mas a luz azul irá desalojar muitos.

A observação do efeito fotoelétrico apresentou fortes evidências para a natureza quântica da luz, que anteriormente não tinha muito suporte.

Também apoiou a teoria da dualidade onda-partícula da luz em uma época em que a maioria dos cientistas acreditava que a luz se comportava como uma partícula ou como uma onda, não ambas.

A luz existe em partículas discretas conhecidas como fótons, que são cientificamente descritas como quanta de luz.

Um fóton é um quantum de luz; é a menor unidade de luz que pode interagir com qualquer outra coisa.

Os quanta da luz atingem e desalojam elétrons quando a luz incide sobre uma superfície metálicaeste é o efeito fotoelétrico.

Efeito fotoelétrico

O que é um fotoelétron?

Um fotoelétron é um elétron emitido por uma substância devido ao efeito fotoelétrico.

O efeito fotoelétrico ocorre quando um material geralmente de natureza metálica absorve radiação luminosa suficiente para que resulte na emissão de elétrons de sua superfície.

A descoberta do efeito fotoelétrico foi feita pela primeira vez em 1887 por Heinrich Hertz, um físico alemão, e posteriormente foi chamado de efeito Hertz.

Muitos pesquisadores passaram um tempo definindo suas propriedades ao longo dos anos e, em 1905, Albert Einstein publicou descobertas de que ela era causada por quanta de luz conhecidos como fótons.

A explicação clara e elegante de Einstein de como os fotoelétrons foram produzidos resultou em sua conquista do Prêmio Nobel de Física em 1921.

Para que os fotoelétrons sejam emitidos de uma superfície, o comprimento de onda da luz precisa ser de um valor suficientemente baixo, como o da luz ultravioleta.

A emissão de fotoelétrons também é um recurso chave usado na descrição dos princípios da mecânica quântica. O processo envolve um quanta, ou único fóton de energia sendo absorvido por um material sólido, se a energia do fóton for maior do que a energia da banda de valência superior, ou camada de elétron mais externa do material.

A espectroscopia de fotoelétrons é um processo onde a energia cinética dos fótons emitidos de uma superfície é analisada para estudar a região da superfície de um material de amostra.

Dois tipos básicos de processo foram usados. A espectroscopia de raios-X estuda os níveis de núcleo de um material usando faixas de energia de fótons de 200 a 2.000 elétron-volts, e a espectroscopia de fotoelétrons ultravioleta usa níveis de energia de fótons de 10 a 45 elétron-volts para estudar o elétron externo ou as camadas de valência do material. A partir de 2011, o mais recente equipamento síncrotron, que é um ciclotron magnético que acelera partículas eletrostaticamente, permite o estudo de faixas de energia entre 5 e mais de 5.000 elétron-volts, de modo que não é mais necessário um equipamento de pesquisa separado. Essas máquinas são caras e complexas, portanto, não são amplamente utilizadas no campo.

A partir de 2011, o espectrômetro de fotoelétrons foi desenvolvido com um detector de elétrons que pode operar ao ar livre e à pressão atmosférica, o que é uma novidade na área.

Ele é capaz de medir a espessura de filmes finos em níveis tão finos quanto 20 nanômetros, ou 20 bilionésimos de metro.

As máquinas são modelos de mesa que usam uma fonte de luz ultravioleta e podem operar em uma faixa de 3,4 a 6,2 elétron-volts. Eles são usados para analisar metais e semicondutores como o silício.

Efeito fotoelétrico – Física

O efeito fotoelétrico é o fenômeno no qual partículas eletricamente carregadas são liberadas de ou dentro de um material quando este absorve radiação eletromagnética.

O efeito é geralmente definido como a ejeção de elétrons de uma placa de metal quando a luz incide sobre ela. Em uma definição mais ampla, a energia radiante pode ser infravermelha, visível ou luz ultravioleta, raios X ou raios gama; o material pode ser um sólido, líquido ou gás; e as partículas liberadas podem ser íons (átomos ou moléculas eletricamente carregados), bem como elétrons.

O fenômeno foi fundamentalmente significativo no desenvolvimento da física moderna por causa das questões intrigantes que levantou sobre a natureza da luz – comportamento de partícula versus onda – que foram finalmente resolvidas por Albert Einstein em 1905. O efeito continua importante para pesquisas em áreas da ciência dos materiais à astrofísica, além de formar a base para uma variedade de dispositivos úteis.

Descoberta e trabalho inicial

O efeito fotoelétrico foi descoberto em 1887 pelo físico alemão Heinrich Rudolf Hertz.

Em conexão com o trabalho em ondas de rádio, Hertz observou que, quando a luz ultravioleta brilha em dois eletrodos de metal com uma voltagem aplicada sobre eles, a luz muda a voltagem na qual a centelha ocorre.

Essa relação entre luz e eletricidade (portanto fotoelétrica) foi esclarecida em 1902 por outro físico alemão, Philipp Lenard.

Ele demonstrou que partículas eletricamente carregadas são liberadas de uma superfície metálica quando ela é iluminada e que essas partículas são idênticas aos elétrons, descobertos pelo físico britânico Joseph John Thomson em 1897.

Outras pesquisas mostraram que o efeito fotoelétrico representa uma interação entre luz e matéria que não pode ser explicada pela física clássica, que descreve a luz como uma onda eletromagnética.

Uma observação inexplicável foi que a energia cinética máxima dos elétrons liberados não variava com a intensidade da luz, como era esperado de acordo com a teoria das ondas, mas era proporcional à frequência da luz. O que a intensidade da luz determinou foi o número de elétrons liberados do metal (medido como uma corrente elétrica).

Outra observação intrigante foi que praticamente não houve intervalo de tempo entre a chegada da radiação e a emissão de elétrons.

A consideração desses comportamentos inesperados levou Albert Einstein a formular em 1905 uma nova teoria corpuscular da luz em que cada partícula de luz, ou fóton, contém uma quantidade fixa de energia, ou quantum, que depende da frequência da luz. Em particular, um fóton carrega uma energia E igual a hf, onde f é a frequência da luz eh é a constante universal que o físico alemão Max Planck derivou em 1900 para explicar a distribuição de comprimento de onda da radiação do corpo negro – isto é, o eletromagnético radiação emitida por um corpo quente. A relação também pode ser escrita na forma equivalente E = hc/?, onde c é a velocidade da luz e ? é seu comprimento de onda, mostrando que a energia de um fóton é inversamente proporcional ao seu comprimento de onda.

Einstein presumiu que um fóton penetraria no material e transferiria sua energia para um elétron. À medida que o elétron se movia através do metal em alta velocidade e finalmente emergia do material, sua energia cinética diminuiria em uma quantidade F chamada de função de trabalho (semelhante à função de trabalho eletrônico), que representa a energia necessária para o elétron escapar do metal.

Por conservação de energia, esse raciocínio levou Einstein à equação fotoelétrica E_k = hf – f, onde E_k é a energia cinética máxima do elétron ejetado.

Embora o modelo de Einstein descreveu a emissão de elétrons de uma placa iluminada, sua hipótese de fóton era suficientemente radical que não foi universalmente aceita até que recebeu uma verificação experimental adicional. Outra corroboração ocorreu em 1916, quando medições extremamente precisas feitas pelo físico americano Robert Millikan verificaram a equação de Einstein e mostraram com alta precisão que o valor da constante h de Einstein era igual à constante de Planck.

Einstein finalmente recebeu o Prêmio Nobel de Física em 1921 por explicar o efeito fotoelétrico.

Em 1922, o físico americano Arthur Compton mediu a mudança no comprimento de onda dos raios X depois que eles interagiram com os elétrons livres e mostrou que a mudança poderia ser calculada tratando os raios X como fótons.

Compton recebeu o Prêmio Nobel de Física em 1927 por este trabalho. Em 1931, o matemático britânico Ralph Howard Fowler ampliou a compreensão da emissão fotoelétrica ao estabelecer a relação entre a corrente fotoelétrica e a temperatura nos metais.

Outros esforços mostraram que a radiação eletromagnética também pode emitir elétrons em isoladores, que não conduzem eletricidade, e em semicondutores, uma variedade de isoladores que conduzem eletricidade apenas sob certas circunstâncias.

Princípios fotoelétricos

De acordo com a mecânica quântica, os elétrons ligados aos átomos ocorrem em configurações eletrônicas específicas.

A configuração de energia mais alta (ou banda de energia) que normalmente é ocupada por elétrons para um determinado material é conhecida como banda de valência, e o grau em que ela é preenchida determina em grande parte a condutividade elétrica do material.

Em um condutor típico (metal), a banda de valência é preenchida pela metade com elétrons, que se movem prontamente de átomo a átomo, carregando uma corrente. Em um bom isolante, como vidro ou borracha, a banda de valência é preenchida e esses elétrons de valência têm muito pouca mobilidade. Como os isoladores, os semicondutores geralmente têm suas bandas de valência preenchidas, mas, ao contrário dos isoladores, muito pouca energia é necessária para excitar um elétron da banda de valência para a próxima banda de energia permitida – conhecida como banda de condução, porque qualquer elétron excitado para esta energia superior nível é relativamente gratuito. Por exemplo, o “bandgap” ou banda proibida para o silício é 1,12 eV (elétron-volts), e o do arsenieto de gálio é 1,42 eV.

Isso está na faixa de energia carregada pelos fótons da luz infravermelha e visível, que podem, portanto, elevar os elétrons em semicondutores para a banda de condução. (Para efeito de comparação, uma bateria de lanterna comum transmite 1,5 eV para cada elétron que passa por ela. Muito mais radiação energética é necessária para superar o bandgap nos isoladores.)

Dependendo de como o material semicondutor é configurado, esta radiação pode aumentar sua condutividade elétrica em adicionar a uma corrente elétrica já induzida por uma tensão aplicada (ver fotocondutividade), ou pode gerar uma tensão independentemente de quaisquer fontes de tensão externas.

A fotocondutividade surge dos elétrons liberados pela luz e também de um fluxo de carga positiva. Elétrons elevados à banda de condução correspondem a cargas negativas ausentes na banda de valência, chamadas de “buracos”. Os elétrons e as lacunas aumentam o fluxo de corrente quando o semicondutor é iluminado.

No efeito fotovoltaico, uma tensão é gerada quando os elétrons liberados pela luz incidente são separados dos buracos que são gerados, produzindo uma diferença no potencial elétrico.

Isso normalmente é feito usando uma junção p-n em vez de um semicondutor puro. Uma junção p-n ocorre na junção entre semicondutores do tipo p (positivo) e tipo n (negativo).

Essas regiões opostas são criadas pela adição de diferentes impurezas para produzir elétrons em excesso (tipo n) ou lacunas em excesso (tipo p).

A iluminação libera elétrons e buracos em lados opostos da junção para produzir uma voltagem através da junção que pode impulsionar a corrente, convertendo assim luz em energia elétrica.

Outros efeitos fotoelétricos são causados por radiação em frequências mais altas, como raios X e raios gama. Esses fótons de alta energia podem até mesmo liberar elétrons perto do núcleo atômico, onde estão fortemente ligados. Quando esse elétron interno é ejetado, um elétron externo de alta energia cai rapidamente para preencher a vaga.

O excesso de energia resulta na emissão de um ou mais elétrons adicionais do átomo, o que é chamado de efeito Auger.

Também visto em altas energias de fótons é o efeito Compton, que surge quando um fóton de raios-X ou raios gama colide com um elétron.

O efeito pode ser analisado pelos mesmos princípios que governam a colisão entre dois corpos quaisquer, incluindo a conservação do momento. O fóton perde energia para o elétron, uma diminuição que corresponde a um comprimento de onda do fóton aumentado de acordo com a relação de Einstein E = hc/?.

Quando a colisão é tal que o elétron e o fóton se separam em ângulos retos entre si, o comprimento de onda do fóton aumenta em uma quantidade característica chamada comprimento de onda Compton, 2.43 × 10^-12 metros.

Fonte: h3.googleusercontent.com/opentextbc.ca/physics.info/osp.mans.edu.eg/www.radiation-dosimetry.org/www.wisegeek.org/Encyclopaedia Britannica/www.khanacademy.org/vlab.amrita.edu/isaacphysics.org