Fotonul - Efectul fotoelectric

Fotonul

Efectul fotoelectric

Prin efect fotoelectric se intelege emisia de electroni de catre corpuri sub influenta luminii incidente, fenomen utilizat la celulele fotoelectrice sau fotoelemente. Fenomenul descoperit de Hertz (1887) consta in faptul ca sub influenta iluminarii cu razele ultraviolete, scanteia electrica apare mai usor intre electrozii, sau eclato 353f52d rii, unei bobine transformatoare. Acest fapt a fost studiat de catre Stoletov si Hallwachs (1888), care au aratat ca sub influenta luminii se desprind sarcini electrice din electrozi, si anume electronii de catod.
Pentru stabilirea legilor efectului fotoelectric se intrebuinteaza o celula fotoelectrica in vid formata din catodul K, asupra caruia cade lumina, anodul A, bateria B, si galvanometrul G (fig. 1). Se constata ca pentru o iluminare constanta, prin variatia diferentei de potential V aplicata intre catodul K si anodul A se obtine o variatie a curentului fotoelectric I (fig 2), curba caracteristica obtinuta cand toti fotoelectronii sunt culesi de catre anod, ca in cazul unui condensator sferic, anodul fiind sfera mica din interior, ca in dispozitivul Lukirski si Prilejaev.

Se obtine un curent fotoelectric maxim, de saturatie. Prin variatia iluminarii se obtin alte curbe cu alte valori pentru intensitatea curentului de saturatie. Cercetarile au aratat ca intensitatea curentului de saturatie este riguros proportionala cu intensitatea luminii, absorbita de materialul care serveste drept fotocatod, ceea ce a dus la utilizarea celulelor fotoelectrice ca fotometre obiective.
La diferenta de potential nula exista totusi un fotocurent, ceea ce arata ca electronii parasesc totusi suprafata catodului cu viteze diferite, caci curba curentului fotoelectric scade lin pana la zero cand s-a aplicat o diferenta de potential intarzietor V pentru care electronii sunt retinuti pe catod. tinand seama ca iesirea unui electron prin suprafata metalica necesita un lucru de extractie eV₀ si ca electronul a iesit din suprafata catodului cu viteza maxima V_M, atunci energia maxima W necesara extractiei electronului va fi egala cu

unde m si e sunt masa si sarcina electronului. Lenard a stabilit ca aceasta viteza maxima VM, nu depinde decat de frecventa luminii incidente, creste cu ea si nu depinde de intensitatea luminii incidente.
Einstein (1905) (premiul Nobel in 1921) a explicat fenomenul fotoelectric cu ajutorul cuantelor de lumina numite apoi fotoni. Energia luminoasa nu se propaga conform teoriei ondulatorii in toate directiile, ci se propaga sub forma de cuante, de fotoni. Cu cat cuanta este mai mare, adica are o energie mai mare, cu atat se pot observa mai usor efectele de propagare ale cuantei dupa anumite directii, deci se pun in evidenta mai usor efectele corpusculare ale luminii, asa cum se observa la razele X sau ¡. Energia transportata de un foton este, dupa Planck, egala cu hv. Einstein explica fenomenul fotoelectric dupa efectul fotonului asupra electronului din fotocatod, caruia i se transmite printr-o interactie complexa in intregime aceasta energie h_v. Aceasta energie contribuie la invingerea barierei de potential (eV₀) si la comunicarea unei viteze V_M electronului, bilantul energetic fiind dat de:

Millikan (1916) (premiul Nobel in 1923) si apoi Lukirski (1928) au cercetat in amanuntime relatia data de Einstein si din efectele fotoelectrice au obtinut valoarea lui h. Se constata ca pentru extragerea electronului din suprafata fotocatodului este necesara o energie minima   hv_o = eV₀, ceea ce arata ca efectul fotoelectric nu poate sa apara decat daca frecventa radiatiei este mai mare decat V₀, adica V > V₀. Frecventa V₀ ia denumirea de pragul rosu al efectului fotoelectric, depinzand de structura si starea suprafetei fotocatodului (metalele alcaline au acest prag in vizibil).
Se obtine un efect fotoelectric masurabil cu o suprafata de sodiu, pentru  l < l₀ =0,5m   (1m = 10^-6 m) cu o iluminare egala cu 10^-3 W/m². atomul are o sectiune de m . Fiecare din ei va culege, pe secunda, conform teoriei ondulatorii a luminii, o energie luminoasa de W,daca energia luminoasa este uniform repartizata asupra lor. Insa pentru l=0,5m   deci cu frecventa v=6x10¹⁴ Hz, energia eV₀ (=hv₀) pentru extragerea unui electron este de J, astfel ca este necesar un timp de secunde pentru ca energia acumulata de un atom sa fie suficienta pentru eliberarea unui electron, ori, s-a constatat ca acest timp este de secunde.

Curentul fotoelectric depinde de lungimea de unda incidenta. Astfel, lucrand cu curenti fotoelectrici la saturatie si cu aceeasi cantitate de energie luminoasa absorbita de catod se obtine o crestere continua a curentului fotoelectric catre lungimile de unda mai mici, incepand cu lungimea de unda care corespunde pragului fotoelectric (fig. 3). Sunt insa suprafete care prezinta o emisie pronuntata selectiva, efect fotoelectric selectiv, intr-un anumit domeniu de lungimi de unda si care ar putea fi explicat ca un fenomen de rezonanta, frecventa proprie a electronilor din fotocatod fiind apropiata de cea a luminii incidente, ceea ce ar favoriza iesirea electronilor din fotocatod (fig. 4). Efectul fotoelectric selectiv se pune in evidenta in mod clar intrebuintand lumina polarizata liniar. Daca vectorul electric al luminii este paralel cu planul de incidenta se obtine efectul selectiv (fig.5). Cand vectorul luminos este perpendicular pe planul de incidenta apare efectul normal. Efectul selectiv creste cu atat mai mult cu cat vectorul electric al luminii este mai aproape de pozitia normala la suprafata fotocatodului (fig.6), deci efectul selectiv creste cu cresterea unghiului de incidenta.

Efectul fotoelectric s-a observat nu numai la suprafata fotocatodului, numit din aceasta cauza si efect fotoelectric de suprafata. Seleniul si unele cristale, semiconductori si lichide isi maresc conductibilitatea electrica, cand sunt iluminate: avem un efect fotoelectric interior. Celula fotoelectrica cu strat de oprire sau celula cu cuproxid, este formata dintr-o placa de cupru, ca electrod pe care se gaseste un strat de oxid cupros Cu₂O, peste care se aplica un alt strat subtire, transparent, metalic, care serveste drept al doilea electrod (fig. 7). Sub actiunea fotonilor in stratul de Cu₂O se pun in libertate fotoelectroni care trec usor de la Cu2O spre Cu, celula avand proprietati redresoare. Celula actioneaza ca un transformator al energiei luminoase in energie electrica. La fotoelemente apare un curent fotoelectric fara o tensiune electrica exterioara.

Fotoelementul cu siliciu este compus dintr-un strat de siliciu - n (cu conductibilitate prin electronii in surplus datorita impuritatilor de As din siliciu) pus in contact cu un strat transparent de siliciu - p (cu conductibilitate prin lipsa de electroni datorita impuritatilor de Ga din siliciu). Diferenta in concentratiile electronice care creeaza, prin difuziune, o sarcina spatiala (in echilibru) in regiunea suprafetei de contact, este perturbata de catre fotonii incidenti si duce la aparitia unei forte electromotoare fotoelectrice, care produce un curent in circuitul electric exterior care leaga cele doua straturi. S-au creat astfel bateriile solare.

Lambe si McCarthy (1976) au realizat o dioda "tunel" metal-izolant-metal, care emite lumina cand ea este polarizata, un fel de efect invers efectului fotoelectric.