Efecto Fotoeléctrico y el Foton Giuliano Rossi Introducción a la óptica Año 2009

Introducción al fotón El experimento de rendija dobles realizado por Thomas Young en 1801, aporta pruebas fidedignas de que la luz visible es de naturaleza ondulatoria. Pero existe otra propiedad de la luz que parece contradecir que ´´ la luz es una onda ´´

El Fotón Es la partícula fundamental de las manifestaciones cuánticas del fenómeno electromagnético. Es la partícula portadora de todas las formas de radiación electromagnética, incluyendo rayos gamma. Rayos X, la luz ultra violeta etc.

Propiedades del Fotón No tiene masa Viaja con una velocidad constante c Se comporta como una onda en fenómenos como la refracción , sin embargo se comporta como una partícula cuando interacciona con la materia para transferir una cantidad fija de energía. Vida media estable No tiene antipartícula Tiene carga eléctrica y colora nula

La luz como fotón Einstein en 1905 basándose en el trabajo de Planck propuso que la energía E relacionada con un foton es E = hf = hc/ λ En 1917 einstein fue mas allá, y a cada foton le asigno un momento lineal de magnitud p = h/λ En las ecuaciones anteriores f y λ son respectivamente, la frecuencia y la longitud de onda de la luz incidente, h es la constante de planck. h = 6.626 x 10- 34 j.s

Emisión y absorción de fotones Los fotones se emiten en muchos procesos naturales, por ejemplo, cuando se acelera una partícula con carga eléctrica, durante una transición molecular, atómica o nuclear a un nivel de energía más bajo, o cuando se aniquila una partícula con su antipartícula. Los fotones se absorben en los procesos de reversión temporal que se corresponden con los ya mencionados

El efecto fotoeléctrico Si dejamos que una luz monocromática iniciada sobre una superficie metálica, los electrones pueden ser arrojados de ella.

El efecto fotoeléctrico Si producimos una diferencia de potencial adecuada entre el emisor y el receptor, podemos recoger los electrones lanzados y medirlos como una corriente fotoeléctrica i en el circuito externo.

El efecto fotoeléctrico Si el receptor esta en un potencial mas alto que el emisor y la diferencia es bastante grande la corriente alcanza una constante Si reducimos a cero la diferencia, la corriente eléctrica no disminuye a cerro. Pero si invertimos el signo y la diferencia es lo bastante grande, inclusive los electrones con mayor energía son devueltos al emisor sin chocar con el receptor y la corriente eléctrica respectivamente se reduce a cero. El modulo de esta diferencia de potencial negativa recibe el nombre de potencial de frenado.

El efecto fotoeléctrico Cuando Δv es negativa, los electrones pierden energía cinética y adquieren energía potencial al pasar del emisor el receptor; el cambio de esta ultima en ellos es Δu= qΔv= -eΔv, es una cantidad positiva cuando Δv es negativa . Los electrones con mayor energía poseen energía cinética Kmax. El potencial de frenado corresponde a la máxima diferencia de potencial necesaria para que pierdan toda su energía cinética. La conservación de energía (Δu= - Δv) nos da entonces eVo = Kmax

El efecto fotoeléctrico Al comparar las curvas a y b se advierte el primero de los tres hechos . 1- si la luz de determinada longitud de onda incide sobre un emisor, el potencial de frenado no depende de la intensidad

El efecto fotoeléctrico La grafica representa el potencial de frenado en función de la frecuencia, con lo cual llegamos al segundo hecho. 2- la frecuencia de la luz que incide sobre un emisor debe ser mayor que la de cierto valor fo. En caso contrario no se producirá el efecto fotoeléctrico. Esta frecuencia de corte fo solo depende de la materia del material de cual esta hecho el emisor

El efecto fotoeléctrico La tercera y ultima es que los electrones se emiten de inmediato una vez que la luz incidente llega a la superficie del emisor. Experimentalmente esta probado que es un lapso aproximado de 0.000000001s

Análisis del efecto fotoeléctrico de Einstein Einstein demostró que el foton explicaba los tres hechos antes mencionados. Y escribió la siguiente ecuación, conocida hoy como la ecuación de Einstein: hf = Ф + Kmax Esta ecuación indica que un foton individual lleva una energía hf al interior del emisor, donde se transfiere esencialmente a un electrón. Parte de esta energía , llamada función de trabajo Ф del material que constituye el emisor, se consume al hacer que el electrón escape del emisor; y Kmax que es la energía máxima que el electrón pose una vez que sale del emisor

Análisis del efecto fotoeléctrico de Einstein Consideremos como la ecuación coincide con los tres hechos experimentales de la fotoelectricidad que acabamos de describir: Hecho 1 :esto se infiere porque si duplicamos la intensidad de la luz incidente, no hacemos mas que duplicar la cantidad de interacciones fotón – electrón Hecho 2: al combinar ecuaciones llegamos a Vo = (h/e)f – (Ф/e) tanto h como e son constante físicas fundamentales y Ф es una constante de determinado materia. Por lo que la ecuación predice que Vo en función de fe en un emisor debería ser una línea recte con pendiente h/e.

Efecto fotoeléctrico en la actualidad El efecto fotoeléctrico es la base de la producción de energía eléctrica por radiación solar y del aprovechamiento energético de la energía solar. El efecto fotoeléctrico se utiliza también para la fabricación de células utilizadas en los detectores de llama de las calderas de las grandes centrales termoeléctricas. Este efecto es también el principio de funcionamiento de los sensores utilizados en las cámaras digitales. También se utiliza en diodos fotosensibles tales como los que se utilizan en las células fotovoltaicas y en electroscopios o electrómetros. En la actualidad los materiales fotosensibles más utilizados son, aparte de los derivados del cobre (ahora en menor uso), el silicio, que produce corrientes eléctricas mayores.

Tecnología y usos de la energía solar Clasificación por tecnologías y su correspondiente uso más general: Energía solar pasiva: Aprovecha el calor del sol sin necesidad de mecanismos o sistemas mecánicos. Energía solar térmica: Para producir agua caliente de baja temperatura para uso sanitario y calefacción. Energía solar fotovoltaica: Para producir electricidad mediante placas de semiconductores que se alteran con la radiación solar.

Energía solar fotovoltaica Se denomina energía solar fotovoltaica a una forma de obtención de energía eléctrica a través de paneles fotovoltaicos. Los paneles, módulos o colectores fotovoltaicos están formados por dispositivos semiconductores tipo diodo que, al recibir radiación solar, se excitan y provocan saltos electrónicos, generando una pequeña diferencia de potencial en sus extremos. El acoplamiento en serie de varios de estos fotodiodos permite la obtención de voltajes mayores en configuraciones muy sencillas y aptas para alimentar pequeños dispositivos electrónicos.