Efeito fotoelétrico quem descobriu

O efeito fotoelétrico é a emissão de elétrons quando a radiação eletromagnética , como a luz , atinge um material. Os elétrons emitidos dessa maneira são chamados de fotoelétrons. O fenômeno é estudado em física da matéria condensada , estado sólido e química quântica para fazer inferências sobre as propriedades dos átomos, moléculas e sólidos. O efeito encontrou uso em dispositivos eletrônicos especializados para detecção de luz e emissão de elétrons precisamente cronometrada.

Os resultados experimentais discordam do eletromagnetismo clássico , que prevê que as ondas de luz contínuas transferem energia para os elétrons, que seriam então emitidos quando acumulassem energia suficiente. Uma alteração na intensidade da luz teoricamente mudaria a energia cinética dos elétrons emitidos, com luz suficientemente fraca resultando em uma emissão atrasada. Em vez disso, os resultados experimentais mostram que os elétrons são desalojados apenas quando a luz excede uma certa frequência - independentemente da intensidade da luz ou da duração da exposição. Como um feixe de baixa frequência em alta intensidade não poderia acumular a energia necessária para produzir fotoelétrons como faria se a energia da luz viesse de uma onda contínua, Albert Einstein propôs que um feixe de luz não é uma onda que se propaga pelo espaço, mas um enxame de pacotes de energia discretos, conhecidos como fótons .

A emissão de elétrons de condução de metais típicos requer alguns quanta de luz elétron-volt (eV), correspondendo à luz visível ou ultravioleta de curto comprimento de onda. Em casos extremos, as emissões são induzidas com fótons se aproximando de energia zero, como em sistemas com afinidade eletrônica negativa e a emissão de estados excitados, ou algumas centenas de fótons keV para elétrons centrais em elementos com um número atômico alto . [1] O estudo do efeito fotoelétrico levou a etapas importantes na compreensão da natureza quântica da luz e dos elétrons e influenciou a formação do conceito de dualidade onda-partícula . [2] Outros fenômenos em que a luz afeta o movimento de cargas elétricas incluem o efeito fotocondutor , o efeito fotovoltaico e o efeito fotoeletroquímico .

Os fótons de um feixe de luz têm uma energia característica, chamada energia de fótons , que é proporcional à freqüência da luz. No processo de fotoemissão, quando um elétron dentro de algum material absorve a energia de um fóton e adquire mais energia do que sua energia de ligação , é provável que seja ejetado. Se a energia do fóton for muito baixa, o elétron não conseguirá escapar do material. Uma vez que um aumento na intensidade da luz de baixa frequência apenas aumentará o número de fótons de baixa energia, essa mudança na intensidade não criará nenhum fóton único com energia suficiente para desalojar um elétron. Além disso, a energia dos elétrons emitidos não dependerá da intensidade da luz que entra em uma determinada frequência, mas apenas da energia dos fótons individuais.

Enquanto os elétrons livres podem absorver qualquer energia quando irradiados , desde que isso seja seguido por uma reemissão imediata, como no efeito Compton , nos sistemas quânticos toda a energia de um fóton é absorvida - se o processo for permitido pela mecânica quântica - ou nenhum. Parte da energia adquirida é usada para liberar o elétron de sua ligação atômica, e o resto contribui para a energia cinética do elétron como uma partícula livre. [3] [4] [5] Como os elétrons em um material ocupam muitos estados quânticos diferentes com diferentes energias de ligação e podem sustentar perdas de energia ao sair do material, os elétrons emitidos terão uma variedade de energias cinéticas. Os elétrons dos estados mais ocupados terão a energia cinética mais alta. Nos metais, esses elétrons serão emitidos a partir do nível de Fermi .

Quando o fotoelétron é emitido para um sólido em vez de para o vácuo, o termo fotoemissão interna é freqüentemente usado, e a emissão no vácuo é distinguida como fotoemissão externa .

Observação experimental de emissão fotoelétrica

Embora a fotoemissão possa ocorrer a partir de qualquer material, ela é mais facilmente observada em metais e outros condutores. Isso ocorre porque o processo produz um desequilíbrio de carga que, se não for neutralizado pelo fluxo da corrente, resulta no aumento da barreira de potencial até que a emissão cesse completamente. A barreira de energia para fotoemissão é geralmente aumentada por camadas de óxido não condutor em superfícies de metal, portanto, a maioria dos experimentos práticos e dispositivos baseados no efeito fotoelétrico usam superfícies de metal limpas em tubos evacuados. O vácuo também ajuda a observar os elétrons, pois impede que os gases impeçam seu fluxo entre os eletrodos.

Como a luz solar, devido à absorção da atmosfera, não fornece muita luz ultravioleta, a luz rica em raios ultravioleta costumava ser obtida pela queima de magnésio ou de uma lâmpada de arco . No presente momento, de vapor de mercúrio de lâmpadas , de descarga de gás nobre- lâmpadas UV e de plasma de radiofrequência fontes, [6] [7] [8] lasers ultravioletas , [9] e sincrotrão dispositivo de inserção de [10] fontes de luz prevalecer.

A configuração clássica para observar o efeito fotoelétrico inclui uma fonte de luz, um conjunto de filtros para monocromatizar a luz, um tubo de vácuo transparente à luz ultravioleta, um eletrodo emissor (E) exposto à luz e um coletor (C) cuja tensão V C pode ser controlado externamente.

Uma tensão externa positiva é usada para direcionar os elétrons fotoemitidos para o coletor. Se a frequência e a intensidade da radiação incidente forem fixas, a corrente fotoelétrica I aumenta com o aumento da voltagem positiva, à medida que mais e mais elétrons são direcionados para o eletrodo. Quando nenhum fotoelétron adicional pode ser coletado, a corrente fotoelétrica atinge um valor de saturação. Essa corrente só pode aumentar com o aumento da intensidade da luz.

Uma voltagem negativa crescente impede que todos, exceto os elétrons de maior energia, cheguem ao coletor. Quando nenhuma corrente é observada através do tubo, a tensão negativa atingiu o valor que é alto o suficiente para desacelerar e parar os fotoelétrons mais energéticos de energia cinética K max . Este valor da tensão de retardamento é chamado o potencial parar ou corte fora potencial V o . [11] Uma vez que o trabalho realizado pelo potencial de retardo na parada do elétron de carga e é eV o , o seguinte deve conter eV o  =  K max.

A curva de corrente-tensão é sigmoidal, mas sua forma exata depende da geometria experimental e das propriedades do material do eletrodo.

Para uma determinada superfície de metal, existe uma certa frequência mínima de radiação incidente abaixo da qual nenhum fotoelétron é emitido. Essa frequência é chamada de frequência limite . Aumentar a frequência do feixe incidente aumenta a energia cinética máxima dos fotoelétrons emitidos e a tensão de parada deve aumentar. O número de elétrons emitidos também pode mudar porque a probabilidade de cada fóton resultar em um elétron emitido é uma função da energia do fóton.

Um aumento na intensidade da mesma luz monocromática (desde que a intensidade não seja muito alta [12] ), que é proporcional ao número de fótons que incidem na superfície em um determinado tempo, aumenta a taxa na qual os elétrons são ejetados —A corrente fotoelétrica I— mas a energia cinética dos fotoelétrons e a tensão de parada permanecem as mesmas. Para um determinado metal e frequência de radiação incidente, a taxa na qual os fotoelétrons são ejetados é diretamente proporcional à intensidade da luz incidente.

O intervalo de tempo entre a incidência da radiação e a emissão de um fotoelétron é muito pequeno, menos de 10 -9 segundos. A distribuição angular dos fotoelétrons é altamente dependente da polarização (a direção do campo elétrico) da luz incidente, bem como das propriedades quânticas do material emissor, como simetrias orbitais atômicas e moleculares e a estrutura de banda eletrônica dos sólidos cristalinos. Em materiais sem ordem macroscópica, a distribuição dos elétrons tende ao pico na direção da polarização da luz polarizada linearmente. [13] A técnica experimental que pode medir essas distribuições para inferir as propriedades do material é a espectroscopia de fotoemissão com resolução angular .

Explicação teórica

Em 1905, Einstein propôs uma teoria do efeito fotoelétrico usando um conceito apresentado pela primeira vez por Max Planck de que a luz consiste em minúsculos pacotes de energia conhecidos como fótons ou quanta de luz. Cada pacote carrega energia h ν {\ displaystyle h \ nu}

Onde C {\ displaystyle W} é a energia mínima necessária para remover um elétron da superfície do material. É chamada de função de trabalho da superfície e às vezes é denotada Φ {\ displaystyle \ Phi} ou φ {\ displaystyle \ varphi} . [14] Se a função de trabalho for escrita como

a fórmula para a energia cinética máxima dos elétrons ejetados torna-se

A energia cinética é positiva e ν > ν o {\ displaystyle \ nu> \ nu _ {o}} é necessário para que o efeito fotoelétrico ocorra. [15] A frequência ν o {\ displaystyle \ nu _ {o}} é a frequência limite para o material fornecido. Acima dessa frequência, a energia cinética máxima dos fotoelétrons, bem como a tensão de parada no experimento V o = h e ( ν - ν o ) {\ displaystyle V_ {o} = {\ tfrac {h} {e}} \ left (\ nu - \ nu _ {o} \ right)} aumentam linearmente com a frequência e não dependem do número de fótons e da intensidade da luz monocromática incidente. A fórmula de Einstein, embora simples, explicava toda a fenomenologia do efeito fotoelétrico e teve consequências de longo alcance no desenvolvimento da mecânica quântica .

Fotoemissão de átomos, moléculas e sólidos

Os elétrons que estão ligados em átomos, moléculas e sólidos ocupam, cada um, estados distintos de energias de ligação bem definidas . Quando os quanta de luz entregam mais do que esta quantidade de energia a um elétron individual, o elétron pode ser emitido para o espaço livre com o excesso de energia (cinética) que é h ν {\ displaystyle h \ nu} maior do que a energia de ligação do elétron. A distribuição das energias cinéticas, portanto, reflete a distribuição das energias de ligação dos elétrons no sistema atômico, molecular ou cristalino: um elétron emitido do estado de energia de ligação E B {\ displaystyle E_ {B}} é encontrado na energia cinética E k = h ν - E B {\ displaystyle E_ {k} = h \ nu -E_ {B}} . Esta distribuição é uma das principais características do sistema quântico, e pode ser usada para futuros estudos em química quântica e física quântica.

Modelos de fotoemissão de sólidos

As propriedades eletrônicas de sólidos cristalinos ordenados são determinadas pela distribuição dos estados eletrônicos com relação à energia e momento - a estrutura de banda eletrônica do sólido. Modelos teóricos de fotoemissão de sólidos mostram que essa distribuição é, em grande parte, preservada no efeito fotoelétrico. O modelo fenomenológico de três etapas [16] para excitação ultravioleta e suave de raios-X decompõe o efeito nestas etapas: [17] [18] [19]

1. Efeito fotoelétrico interno na maior parte do material que é uma transição óptica direta entre um estado eletrônico ocupado e um desocupado. Este efeito está sujeito às regras de seleção da mecânica quântica para transições dipolo. O buraco deixado atrás do elétron pode dar origem à emissão de elétrons secundários, ou o chamado efeito Auger , que pode ser visível mesmo quando o fotoelétron primário não sai do material. Em sólidos moleculares, os fônons são excitados nesta etapa e podem ser visíveis como linhas de satélite na energia final do elétron.
2. Propagação de elétrons para a superfície na qual alguns elétrons podem ser espalhados devido às interações com outros constituintes do sólido. Os elétrons que se originam mais profundamente no sólido têm muito mais probabilidade de sofrer colisões e emergir com energia e momento alterados. Seu caminho livre de média é uma curva universal dependente da energia do elétron.
3. O elétron escape através da barreira da superfície para estados semelhantes ao elétron livre do vácuo. Nesta etapa, o elétron perde energia no valor da função trabalho da superfície , e sofre com a perda de momento na direção perpendicular à superfície. Porque a energia de ligação dos elétrons em sólidos é convenientemente expressa em relação ao estado mais ocupado na energia de Fermi E F {\ displaystyle E_ {F}} , e a diferença para a energia do espaço livre (vácuo) é a função de trabalho da superfície, a energia cinética dos elétrons emitidos de sólidos é geralmente escrita como E k = h ν - C - E B {\ displaystyle E_ {k} = h \ nu -W-E_ {B}} .

Há casos em que o modelo de três etapas falha em explicar as peculiaridades das distribuições de intensidade de fotoelétrons. O modelo mais elaborado de uma etapa [20] trata o efeito como um processo coerente de fotoexcitação no estado final de um cristal finito para o qual a função de onda é semelhante a um elétron livre fora do cristal, mas tem um envelope decadente dentro. [19]

Em 1839, Alexandre Edmond Becquerel descobriu o efeito fotovoltaico ao estudar o efeito da luz nas células eletrolíticas . [21] Embora não seja equivalente ao efeito fotoelétrico, seu trabalho em energia fotovoltaica foi fundamental para mostrar uma forte relação entre a luz e as propriedades eletrônicas dos materiais. Em 1873, Willoughby Smith descobriu a fotocondutividade no selênio enquanto testava o metal por suas propriedades de alta resistência em conjunto com seu trabalho envolvendo cabos telegráficos submarinos. [22]

Johann Elster (1854–1920) e Hans Geitel (1855–1923), estudantes em Heidelberg , investigaram os efeitos produzidos pela luz em corpos eletrificados e desenvolveram as primeiras células fotoelétricas práticas que podiam ser usadas para medir a intensidade da luz. [23] [24] : 458 Eles organizaram os metais em relação ao seu poder de descarregar eletricidade negativa: rubídio , potássio , liga de potássio e sódio, sódio , lítio , magnésio , tálio e zinco ; para cobre , platina , chumbo , ferro , cádmio , carbono e mercúrio, os efeitos da luz comum eram pequenos demais para serem mensuráveis. A ordem dos metais para este efeito era a mesma da série de Volta para eletricidade de contato, os metais mais eletropositivos dando o maior efeito fotoelétrico.

Em 1887, Heinrich Hertz observou o efeito fotoelétrico [25] e relatou sobre a produção e recepção [26] de ondas eletromagnéticas. [27] O receptor em seu aparelho consistia em uma bobina com um centelhador , onde uma centelha seria vista após a detecção de ondas eletromagnéticas. Ele colocou o aparelho em uma caixa escura para ver melhor a faísca. No entanto, ele percebeu que o comprimento máximo da faísca foi reduzido quando dentro da caixa. Um painel de vidro colocado entre a fonte de ondas eletromagnéticas e o receptor absorveu a radiação ultravioleta que ajudou os elétrons a saltarem pela lacuna. Quando removido, o comprimento da centelha aumentaria. Ele não observou nenhuma diminuição no comprimento da faísca quando substituiu o vidro por quartzo, pois o quartzo não absorve a radiação ultravioleta.

As descobertas de Hertz levaram a uma série de investigações por Hallwachs , [28] [29] Hoor, [30] Righi [31] e Stoletov [32] [33] sobre o efeito da luz, e especialmente da luz ultravioleta, em corpos. Hallwachs conectou uma placa de zinco a um eletroscópio . Ele permitiu que a luz ultravioleta incidisse sobre uma placa de zinco recém-limpa e observou que a placa de zinco se tornava descarregada se inicialmente carregada negativamente, carregada positivamente se inicialmente não carregada e mais positivamente carregada se inicialmente carregada positivamente. A partir dessas observações, ele concluiu que algumas partículas carregadas negativamente foram emitidas pela placa de zinco quando exposta à luz ultravioleta.

Com relação ao efeito Hertz , os pesquisadores desde o início mostraram a complexidade do fenômeno da fadiga fotoelétrica - a diminuição progressiva do efeito observado em superfícies metálicas frescas. De acordo com Hallwachs, o ozônio desempenhou um papel importante no fenômeno, [34] e a emissão foi influenciada pela oxidação, umidade e o grau de polimento da superfície. Na época, não estava claro se a fadiga estava ausente no vácuo.

No período de 1888 a 1891, uma análise detalhada do fotoefeito foi realizada por Aleksandr Stoletov com resultados relatados em seis publicações. [33] Stoletov inventou uma nova configuração experimental que era mais adequada para uma análise quantitativa do efeito fotoelétrico. Ele descobriu uma proporcionalidade direta entre a intensidade da luz e da corrente fotoelétrica induzida (a primeira lei da PhotoEffect ou lei de Stoletov ). Ele mediu a dependência da intensidade da corrente fotoelétrica com a pressão do gás, onde encontrou a existência de uma pressão de gás ótima correspondente a uma fotocorrente máxima ; esta propriedade foi usada para a criação de células solares . [ citação necessária ]

Muitas substâncias, além dos metais, descarregam eletricidade negativa sob a ação da luz ultravioleta. GC Schmidt [35] e O. Knoblauch [36] compilaram uma lista dessas substâncias.

Em 1899, JJ Thomson investigou a luz ultravioleta em tubos de Crookes . [37] Thomson deduziu que as partículas ejetadas, que ele chamou de corpúsculos, eram da mesma natureza que os raios catódicos . Essas partículas mais tarde ficaram conhecidas como elétrons. Thomson encerrou uma placa de metal (um cátodo) em um tubo de vácuo e o expôs à radiação de alta frequência. [38] Pensava-se que os campos eletromagnéticos oscilantes faziam o campo dos átomos ressoar e, após atingir uma certa amplitude, causavam a emissão de corpúsculos subatômicos e a detecção de corrente. A quantidade dessa corrente variou com a intensidade e a cor da radiação. Maior intensidade ou frequência de radiação produziria mais corrente. [ citação necessária ]

Durante os anos de 1886 a 1902 , Wilhelm Hallwachs e Philipp Lenard investigaram o fenômeno da emissão fotoelétrica em detalhes. Lenard observou que uma corrente flui através de um tubo de vidro evacuado envolvendo dois eletrodos quando a radiação ultravioleta atinge um deles. Assim que a radiação ultravioleta é interrompida, a corrente também para. Isso deu início ao conceito de emissão fotoelétrica . A descoberta da ionização de gases pela luz ultravioleta foi feita por Philipp Lenard em 1900. Como o efeito se produziu em vários centímetros de ar e rendeu um número maior de íons positivos do que negativos, era natural interpretar o fenômeno, conforme JJ Thomson fez, como um efeito Hertz sobre as partículas presentes no gás. [27]

século 20

Em 1902, Lenard observou que a energia dos elétrons emitidos individualmente aumentava com a frequência (que está relacionada à cor ) da luz. [3] Isso parecia estar em desacordo com a teoria ondulatória da luz de Maxwell , que previa que a energia do elétron seria proporcional à intensidade da radiação.

Lenard observou a variação da energia do elétron com a frequência da luz usando uma poderosa lâmpada de arco elétrico que lhe permitiu investigar grandes mudanças na intensidade, e que tinha potência suficiente para investigar a variação do potencial do eletrodo com a frequência da luz. Ele encontrou a energia do elétron relacionando-a com o potencial máximo de parada (voltagem) em um fototubo. Ele descobriu que a energia cinética máxima do elétron é determinada pela frequência da luz. Por exemplo, um aumento na frequência resulta em um aumento na energia cinética máxima calculada para um elétron após a liberação - a radiação ultravioleta exigiria um potencial de interrupção aplicado mais alto para interromper a corrente em um fototubo do que a luz azul. No entanto, os resultados de Lenard foram qualitativos, e não quantitativos, devido à dificuldade de realizar os experimentos: os experimentos precisavam ser feitos em metal recém-cortado para que o metal puro fosse observado, mas oxidava em questão de minutos, mesmo nos vácuos parciais. usava. A corrente emitida pela superfície era determinada pela intensidade da luz, ou brilho: dobrar a intensidade da luz dobrou o número de elétrons emitidos da superfície.

As pesquisas de Langevin e de Eugene Bloch [39] mostraram que a maior parte do efeito Lenard é certamente devido ao efeito Hertz . O próprio efeito Lenard sobre o gás [ necessário esclarecimento ] existe. Reencontrado por JJ Thomson [40] e então mais decisivamente por Frederic Palmer, Jr., [41] [42] a fotoemissão de gás foi estudada e mostrou características muito diferentes daquelas inicialmente atribuídas a ela por Lenard. [27]

Em 1900, enquanto estudava a radiação do corpo negro , o físico alemão Max Planck sugeriu em seu artigo " Sobre a Lei da Distribuição de Energia no Espectro Normal " [43] que a energia transportada por ondas eletromagnéticas só poderia ser liberada em pacotes de energia . Em 1905, Albert Einstein publicou um artigo avançando a hipótese de que a energia da luz é transportada em pacotes quantizados discretos para explicar os dados experimentais do efeito fotoelétrico. Einstein teorizou que a energia em cada quantum de luz era igual à frequência da luz multiplicada por uma constante, mais tarde chamada de constante de Planck . Um fóton acima de uma frequência limite tem a energia necessária para ejetar um único elétron, criando o efeito observado. Este foi um passo fundamental no desenvolvimento da mecânica quântica . Em 1914, o experimento de Millikan apoiou o modelo de efeito fotoelétrico de Einstein. Einstein recebeu o Prêmio Nobel de Física de 1921 por "sua descoberta da lei do efeito fotoelétrico", [44] e Robert Millikan recebeu o Prêmio Nobel em 1923 por "seu trabalho sobre a carga elementar de eletricidade e sobre o efeito fotoelétrico " [45] Na teoria de perturbação quântica de átomos e sólidos sob a ação da radiação eletromagnética, o efeito fotoelétrico ainda é comumente analisado em termos de ondas; as duas abordagens são equivalentes porque a absorção de fótons ou ondas só pode acontecer entre níveis de energia quantizados cuja diferença de energia é a energia do fóton. [46] [17]

A descrição matemática de Albert Einstein de como o efeito fotoelétrico foi causado pela absorção de quanta de luz estava em um de seus artigos do Annus Mirabilis , denominado " Em um ponto de vista heurístico sobre a produção e transformação da luz ". O artigo propôs uma descrição simples dos quanta de luz , ou fótons, e mostrou como eles explicam fenômenos como o efeito fotoelétrico. Sua explicação simples em termos de absorção de quanta discretos de luz concordou com os resultados experimentais. Isso explicava por que a energia dos fotoelétrons era dependente apenas da frequência da luz incidente e não de sua intensidade : em baixa intensidade, a fonte de alta frequência poderia fornecer alguns fótons de alta energia, enquanto em alta intensidade, a fonte de baixa A fonte de frequência não forneceria fótons com energia individual suficiente para desalojar quaisquer elétrons. Este foi um enorme salto teórico, mas o conceito foi fortemente resistido no início porque contradizia a teoria das ondas de luz que seguia naturalmente das equações de eletromagnetismo de James Clerk Maxwell e, de forma mais geral, a suposição de divisibilidade infinita de energia em sistemas físicos . Mesmo depois que os experimentos mostraram que as equações de Einstein para o efeito fotoelétrico eram precisas, a resistência à ideia dos fótons continuou.

O trabalho de Einstein previu que a energia de elétrons individuais ejetados aumenta linearmente com a frequência da luz. Talvez surpreendentemente, a relação exata ainda não havia sido testada. Em 1905, já se sabia que a energia dos fotoelétrons aumenta com o aumento da frequência da luz incidente e é independente da intensidade da luz. No entanto, a forma do aumento não foi determinada experimentalmente até 1914, quando Robert Andrews Millikan mostrou que a previsão de Einstein estava correta. [4]

O efeito fotoelétrico ajudou a impulsionar o conceito então emergente de dualidade onda-partícula na natureza da luz. A luz possui simultaneamente as características de ondas e partículas, cada uma se manifestando de acordo com as circunstâncias. O efeito era impossível de entender em termos da descrição de onda clássica da luz, [47] [48] [49] já que a energia dos elétrons emitidos não dependia da intensidade da radiação incidente. A teoria clássica previa que os elétrons "acumulariam" energia ao longo de um período de tempo e, então, seriam emitidos. [48] [50]

São tubos de vácuo extremamente sensíveis à luz com um fotocátodo revestido dentro do envelope. O fotocátodo contém combinações de materiais como césio, rubídio e antimônio especialmente selecionados para fornecer uma função de trabalho baixa, portanto, quando iluminado, mesmo por níveis muito baixos de luz, o fotocátodo libera elétrons prontamente. Por meio de uma série de eletrodos (dínodos) em potenciais cada vez mais elevados, esses elétrons são acelerados e substancialmente aumentados em número por meio da emissão secundária para fornecer uma corrente de saída prontamente detectável. Fotomultiplicadores ainda são comumente usados ​​sempre que níveis baixos de luz devem ser detectados. [51]

Sensores de imagem

Os tubos das câmeras de vídeo nos primórdios da televisão usavam o efeito fotoelétrico, por exemplo, o " Dissector de imagem " de Philo Farnsworth usava uma tela carregada pelo efeito fotoelétrico para transformar uma imagem óptica em um sinal eletrônico digitalizado. [52]

Espectroscopia de fotoelétrons

Como a energia cinética dos elétrons emitidos é exatamente a energia do fóton incidente menos a energia da ligação do elétron dentro de um átomo, molécula ou sólido, a energia de ligação pode ser determinada pelo brilho de um raio X monocromático ou luz UV de um energia e medição das energias cinéticas dos fotoelétrons. [17] A distribuição das energias dos elétrons é valiosa para estudar as propriedades quânticas desses sistemas. Também pode ser usado para determinar a composição elementar das amostras. Para sólidos, a energia cinética e a distribuição do ângulo de emissão dos fotoelétrons são medidos para a determinação completa da estrutura da banda eletrônica em termos das energias de ligação permitidas e momentos dos elétrons. Instrumentos modernos para espectroscopia de fotoemissão de ângulo resolvido são capazes de medir essas grandezas com uma precisão melhor que 1 meV e 0,1 °.

As medições de espectroscopia de fotoelétrons são geralmente realizadas em um ambiente de alto vácuo, porque os elétrons seriam espalhados por moléculas de gás se estivessem presentes. No entanto, algumas empresas já estão vendendo produtos que permitem a fotoemissão no ar. A fonte de luz pode ser um laser, um tubo de descarga ou uma fonte de radiação síncrotron . [53]

O analisador hemisférico concêntrico é um analisador de energia eletrônico típico. Ele usa um campo elétrico entre dois hemisférios para alterar (dispersar) as trajetórias dos elétrons incidentes, dependendo de suas energias cinéticas.

Dispositivos de visão noturna

Os fótons que atingem uma película fina de metal alcalino ou material semicondutor como o arseneto de gálio em um tubo intensificador de imagem causam a ejeção de fotoelétrons devido ao efeito fotoelétrico. Eles são acelerados por um campo eletrostático onde atingem uma tela revestida de fósforo , convertendo os elétrons de volta em fótons. A intensificação do sinal é obtida por meio da aceleração dos elétrons ou pelo aumento do número de elétrons por meio de emissões secundárias, como com uma placa de microcanais . Às vezes, uma combinação de ambos os métodos é usada. Energia cinética adicional é necessária para mover um elétron para fora da banda de condução e para o nível de vácuo. Isso é conhecido como afinidade eletrônica do fotocátodo e é outra barreira à fotoemissão além da banda proibida, explicada pelo modelo de band gap . Alguns materiais, como o arseneto de gálio, têm uma afinidade eletrônica efetiva que está abaixo do nível da banda de condução. Nesses materiais, todos os elétrons que se movem para a banda de condução têm energia suficiente para serem emitidos do material, de modo que o filme que absorve os fótons pode ser bastante espesso. Esses materiais são conhecidos como materiais de afinidade de elétrons negativos.

Nave espacial

O efeito fotoelétrico fará com que a espaçonave exposta à luz solar desenvolva uma carga positiva. Isso pode ser um grande problema, pois outras partes da espaçonave estão na sombra, o que resultará no desenvolvimento de uma carga negativa de plasmas próximos à espaçonave. O desequilíbrio pode ser descarregado por meio de componentes elétricos delicados. A carga estática criada pelo efeito fotoelétrico é autolimitada, porque um objeto com carga superior não cede seus elétrons tão facilmente quanto um objeto com carga inferior. [54] [55]

Poeira lunar

A luz do Sol atingindo a poeira lunar faz com que ela fique positivamente carregada com o efeito fotoelétrico. A poeira carregada então se repele e se eleva da superfície da Lua por levitação eletrostática . [56] [57] Isso se manifesta quase como uma "atmosfera de poeira", visível como uma névoa fina e borrões de características distantes, e visível como um brilho fraco após o pôr do sol. Isso foi fotografado pela primeira vez pelas sondas do programa Surveyor na década de 1960. Pensa-se que as partículas mais pequenas são repelidas a quilómetros da superfície e que as partículas se movem em "fontes" à medida que se carregam e descarregam.

Quando as energias dos fótons são tão altas quanto a energia de repouso do elétron de 511 keV , ainda outro processo, o espalhamento Compton , pode ocorrer. Acima do dobro dessa energia, emA produção de pares de 1.022 MeV também é mais provável. [58] O espalhamento Compton e a produção de pares são exemplos de dois outros mecanismos concorrentes.

Mesmo que o efeito fotoelétrico seja a reação favorecida para uma interação particular de um único fóton com um elétron ligado, o resultado também está sujeito a estatísticas quânticas e não é garantido. A probabilidade de ocorrência do efeito fotoelétrico é medida pela seção transversal da interação, σ. Descobriu-se que isso é uma função do número atômico do átomo alvo e da energia do fóton. Em uma aproximação grosseira, para energias de fótons acima da energia de ligação atômica mais alta, a seção transversal é dada por: [59]

Aqui Z representa o número atómico e n é um número que varia entre 4 e 5. O efeito fotoeléctrico diminui rapidamente em importância na região de raios gama do espectro, com o aumento da energia do fotão. Também é mais provável de elementos com alto número atômico. Consequentemente, os materiais high- Z são bons escudos de raios gama , que é a principal razão pela qual o chumbo ( Z = 82) é preferido e mais amplamente utilizado. [60]

• Efeito fotovoltaico anômalo
• Efeito Dember
• Efeito foto-dezembro
• Efeito fotomagnético
• Fotoquímica
• Linha do tempo da física atômica e subatômica

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