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EFEITO FOTOELÉTRICO

Os Fótons de um feixe de luz têm uma energia característica, chamada energia de fóton , que é proporcional à frequência da luz. Como um aumento na intensidade da luz de baixa frequência só 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 incidente de uma determinada frequência, mas apenas da energia dos fótons individuais.

Parte da energia adquirida é utilizada para liberar o elétron de sua ligação atômica, e o restante contribui para a energia cinética do elétron como partícula livre. Como os elétrons em um material ocupam muitos estados quânticos diferentes com diferentes energias de ligação e porque podem sustentar perdas de energia ao sair do material, os elétrons emitidos terão uma faixa de energia cinética.

Se a luz possuir energia suficiente, pode ocorrer a absorção de luz acompanhada da ionização de um elétron. Hertz observou um aumento significativo na corrente elétrica de uma superfície de zinco sujeita à ação de luz ultravioleta. Um ano mais tarde, Hallwachs mostrou que o aumento na corrente fotoelétrica devia-se à ejeção de partículas carregadas da superfície me­tálica. Stoletow mostrou que a corrente era proporcional à intensidade de luz, enquanto Elster e Geitel demonstraram que a utilização de metais mais eletropositivos permitia o uso de luz com menor frequência para se produzir o efeito.

So­mente uma década após a primeira experiência , Lenard mostrou que as partículas eje­tadas pela superfície metálica eram elétrons e que o efeito fotoelétrico só ocorria quando a frequência era maior que um valor limite característico da superfície metálica. Neste conjunto de medidas Lenard apontou outro fato intrigante, o de que a energia máxima dos elétrons ejetados era independente da intensidade da luz, além de aumentar com a dife­rença entre a frequência do feixe incidente e a frequência característica, v - v0 (variação de velocidade). Um potenciostato controla a diferença de potencial entre o cátodo, submetido à ação da luz, e o ânodo, medindo-se a corrente associada entre o primeiro e uma grade anterior ao ânodo, sujeita a um potencial controlado. Assim, controlando a diferença de potencial, os elétrons ejetados poderão ter a seu favor, ou contra si, uma diferença de potencial estabelecido pelo experimentador.

Se o potencial entre o cátodo e o ânodo é feito muito po­sitivo, todos os elétrons ejetados da superfície metálica são acelerados de encontro ao ânodo, e a corrente medida dá a eficiência global do efeito fotoelétrico. Se, ao contrário, fizermos o poten­cial progressivamente menor, uma parte desses elétrons se perde em colisões/processos com os gases presentes, fazendo a corrente diminuir. Impondo uma diferença de potencial ainda mais negativa, os elétrons foto ejetados necessitarão ultrapassar uma barreira de potencial contro­lável, de modo que somente aqueles que têm energia cinética superior a esse potencial contribu­irão para a corrente medida. Daí, ao fazer o potencial progressivamente mais negativo até que a corrente atinja o valor nulo, estaremos determinando, pela medida desse potencial, a energia ci­nética máxima dos elétrons ejetados da superfície metálica. Esse potencial é denominado po­tencial crítico ou potencial de corte. o fato curioso é que todas as curvas convergem, no limite de diferenças de potencial negativas, a um potencial crí­tico que é independente da intensidade do campo. Abaixo desse potencial não existem elé­trons com energia suficiente para gerar qualquer corrente fotoelétrica. Esse valor representa a energia cinética máxima do fotoelétron ejetado e se mostra uma função exclusiva da fre­quência do feixe de luz.

Segundo a teoria eletromagnética clássica, a energia do campo é uma função de sua intensidade, não existindo qualquer correlação com a frequência da luz. Dispositivos baseados no efeito fotoelétrico têm várias propriedades desejáveis, incluindo a produção de uma corrente diretamente proporcional à intensidade da luz e um tempo de resposta muito rápido. Originalmente, este era um fototubo, um tubo de vácuo contendo um cátodo feito de um metal com uma pequena função de trabalho para que os elétrons fossem facilmente emitidos. A corrente liberada pela placa seria coletada por um ânodo mantido em uma grande voltagem positiva em relação ao cátodo.

Os fototubos foram substituídos por fotodiodos baseados em semicondutores que podem detectar luz , medir sua intensidade, controlar outros dispositivos em função da iluminação e transformar luz em energia elétrica. Para uso de células solares , elas geralmente são feitas de silício cristalino e convertem cerca de 15% da energia da luz incidente em eletricidade . As células solares são frequentemente usadas para fornecer quantidades relativamente pequenas de energia em ambientes especiais , como satélites espaciais e instalações telefônicas remotas. O desenvolvimento de materiais mais baratos e de maior eficiência pode tornar a energia solar economicamente viável para aplicações em larga escala.

A luz que atinge o cátodo libera elétrons. Estes são atraídos para o primeiro dinodo, onde liberam elétrons adicionais que atingem o segundo dinodo e assim por diante. Amplificadores de luz ou intensificadores de imagem , câmera de televisão tubos , e tubos de armazenamento de imagem usam o fato de que a emissão de elétrons de cada ponto em um cátodo é determinada pelo número de fótons que chegam a esse ponto. A imagem óptica caindo em um lado de um cátodo semitransparente é convertida em uma imagem equivalente de «corrente de elétrons» no outro lado. Em seguida, campos elétricos e magnéticos são usados ​​para focar os elétrons em uma tela de fósforo . Cada elétron que atinge o fósforo produz um flash de luz, causando a liberação de muito mais elétrons do ponto correspondente em um cátodo diretamente oposto ao fósforo. Em energias de fótons mais altas, a análise de elétrons emitidos por raios X fornece informações sobre transições entre estados de energia em átomos e moléculas. Também contribui para o estudo de certos processos nucleares e desempenha um papel na análise química de materiais, uma vez que os elétrons emitidos carregam uma energia específica, característica da fonte atômica.