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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 teóricaEm 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} que é proporcional à frequência ν {\ displaystyle \ nu} da onda eletromagnética correspondente. A constante de proporcionalidade h {\ displaystyle h} tornou-se conhecida como a constante de Planck . A energia cinética máxima K m uma x {\ displaystyle K _ {\ mathrm {max}}} dos elétrons que receberam essa quantidade de energia antes de serem removidos de sua ligação atômica é K m uma x = h ν - C , {\ displaystyle K _ {\ mathrm {max}} = h \, \ nu -W,}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 C = h ν o , {\ displaystyle W = h \, \ nu _ {o},}a fórmula para a energia cinética máxima dos elétrons ejetados torna-se K m uma x = h ( ν - ν o ) . {\ displaystyle K _ {\ mathrm {max}} = h \ left (\ nu - \ nu _ {o} \ right).}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 sólidosOs 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 sólidosAs 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]
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] |