Definição e explicação de efeito fotoelétrico

O efeito fotoelétrico ocorre quando a matéria emite elétrons após a exposição à radiação eletromagnética, como fótons de luz. Aqui está uma análise mais atenta do que é o efeito fotoelétrico e como ele funciona.

O efeito fotoelétrico é estudado em parte porque pode ser uma introdução ao dualidade onda-partícula e mecânica quântica.

Quando uma superfície é exposta a energia eletromagnética suficientemente energética, a luz será absorvida e os elétrons serão emitidos. A frequência limite é diferente para diferentes materiais. Isto é luz visível para metais alcalinos, luz ultravioleta quase para outros metais e radiação ultravioleta extrema para não metais. O efeito fotoelétrico ocorre com fótons com energias de alguns volts eletrônicos a mais de 1 MeV. Nas energias de fótons altas comparáveis ​​à energia de repouso de elétrons de 511 keV, pode ocorrer dispersão de Compton, a produção de pares pode ocorrer em energias acima de 1,022 MeV.

Einstein propôs que a luz consistia em quanta, que chamamos de fótons. Ele sugeriu que a energia em cada quantum de luz era igual à frequência multiplicada por uma constante (constante de Planck) e que uma fótons com frequência acima de um certo limiar teriam energia suficiente para ejetar um único elétron, produzindo a fotoelétrica efeito. Acontece que a luz não precisa ser quantizada para explicar o efeito fotoelétrico, mas alguns livros de texto insistem em dizer que o efeito fotoelétrico demonstra a natureza das partículas luz.

A interpretação de Einstein do efeito fotoelétrico resulta em equações válidas para luz ultravioleta:

energia do fóton = energia necessária para remover um elétron + energia cinética do elétron emitido

hν = W + E

Onde
h é constante de Planck
ν é a frequência do incidente fóton
W é a função de trabalho, que é a energia mínima necessária para remover um elétron da superfície de um determinado metal: hν₀
E é o máximo energia cinética de elétrons ejetados: 1/2 mv²
ν₀ é a frequência limiar para o efeito fotoelétrico
m é a massa restante do elétron ejetado
v é a velocidade do elétron ejetado

Nenhum elétron será emitido se a energia do fóton incidente for menor que a função de trabalho.

Aplicando A teoria da relatividade especial de Einstein, a relação entre energia (E) e momento (p) de uma partícula é

E = [(pc)² + (mc²)²]^(1/2)

onde m é a massa restante da partícula ec é a velocidade da luz no vácuo.

• A taxa na qual os fotoelétrons são ejetados é diretamente proporcional à intensidade da luz incidente, para uma dada frequência de radiação incidente e metal.
• O tempo entre a incidência e a emissão de um fotoelétron é muito pequeno, inferior a 10^–9 segundo.
• Para um determinado metal, há uma frequência mínima de radiação incidente abaixo da qual o efeito fotoelétrico não ocorrerá, portanto, nenhum fotoelétron pode ser emitido (frequência limite).
• Acima da frequência limite, a energia cinética máxima do fotoelétron emitido depende da frequência da radiação incidente, mas é independente de sua intensidade.
• Se a luz incidente for polarizada linearmente, a distribuição direcional dos elétrons emitidos atingirá o pico na direção da polarização (a direção do campo elétrico).

Quando a luz e a matéria interagem, vários processos são possíveis, dependendo da energia da radiação incidente. O efeito fotoelétrico resulta da luz de baixa energia. A energia média pode produzir a dispersão Thomson e Efeito Compton. Luz de alta energia pode causar produção de pares.