Què són els fotoelectrons?
Què són els fotoelectrons?
Definició de fotoelectron
Un fotoelectron es defineix com un electró emès d'un material quan aquest absorbeix energia lluminosa. Aquest procés d'emissió s'anomena efecte fotoelèctric i proporciona proves clau de la naturalesa quàntica de la llum i la matèria. Aquest article explicarà què són els fotoelectrons, com es produeixen, els factors que afecten la seva emissió i les seves aplicacions en la ciència i la tecnologia.
Efecte fotoelèctric
L'efecte fotoelèctric és el procés en què els electrons es fan emetre d'un material quan aquest es troba exposat a llum d'una freqüència o energia suficient. El material pot ser metall, un semiconducteur o qualsevol substància amb electrons de superfície lliures o poc lligats. La llum pot ser visible, ultraviolada o raigs X, depenent de la funció de treball del material.
La funció de treball es defineix com l'energia mínima necessària per treure un electró de la superfície d'un material. Mesurada en volts-electrònics (eV), aquesta unitat d'energia representa l'energia guanyada per un electró que es mou a través d'una diferència de potencial d'un volt. La funció de treball varia segons el tipus i la condició del material, típicament oscil·lant entre 2 i 6 eV en metalls.
Quan la llum d'una freqüència f o longitud d'ona λ impacta la superfície d'un material, cada fotó (o quàntum de llum) porta una energia E donada per
E=hf=λhc
on h és la constant de Planck (6,626 x 10^-34 J s), i c és la velocitat de la llum (3 x 10^8 m/s). Si l'energia del fotó E és major o igual a la funció de treball W del material, llavors el fotó pot transferir la seva energia a un electró a la superfície, i l'electró pot escapar del material amb una energia cinètica K donada per
K=E−W=hf−W
Els electrons que es fan emetre d'aquesta manera es coneixen com a fotoelectrons, i formen una corrent fotoelèctrica que es pot mesurar connectant el material a un circuit extern.
Funció de treball
La funció de treball és l'energia mínima necessària per treure un electró d'un material, afectant l'emissió de fotoelectrons.
Emissió instantània
L'emissió de fotoelectrons és instantània i depèn de la freqüència de la llum, no de la seva intensitat.
Aplicacions
Cèl·lules fotoelèctriques o panells solars: Són dispositius que converteixen l'energia lluminosa en energia elèctrica utilitzant l'efecte fotoelèctric. Consisteixen en un material semiconductor (com el silici) que absorbeix fotons i emet fotoelectrons, que després són recollits per electrodes i formen una corrent elèctrica.
Tubes multiplicadors de fotos: Són dispositius que amplifiquen senyals lluminosos febles utilitzant una sèrie d'electrodes que emeten electrons secundaris quan són impactats per fotoelectrons. Es fan servir en detectors de radiació, espectroscòpia, astronomia i imatge mèdica.
Espectroscòpia de fotoelectrons:
Aquesta és una tècnica que utilitza fotoelectrons per analitzar la composició química i l'estructura electrònica dels materials. Implica brillar un raig de fotons (com ara raigs X o llum UV) sobre una mostra i mesurar l'energia cinètica i la distribució angular dels fotoelectrons emesos. Utilitzant el principi de conservació de l'energia, es pot calcular l'energia de vinculació dels fotoelectrons, que reflecteix els nivells d'energia dels àtoms i molècules de la mostra. L'espectroscòpia de fotoelectrons pot proporcionar informació sobre els electrons de valència i de nucli, les òrbites moleculars, els enllaços químics i les propietats de la superfície dels materials. L'espectroscòpia de fotoelectrons es fa servir ampliament en física, qüímica, biologia i ciència dels materials.
Resum
En aquest article, hem aprés sobre els fotoelectrons i les seves aplicacions. Els fotoelectrons són electrons que es fan emetre d'un material quan aquest absorbeix energia lluminosa superior a una freqüència límit.
El fenomen de l'emissió de fotoelectrons es coneix com a efecte fotoelèctric, i suporta la teoria quàntica de la llum i la matèria. L'efecte fotoelèctric té algunes característiques que depenen de la freqüència i intensitat de la llum, la funció de treball del material i l'energia cinètica del fotoelectron.
Els fotoelectrons es poden utilitzar per estudiar l'estructura electrònica i la composició química dels materials mitjançant diverses tècniques d'espectroscòpia de fotoelectrons, com ara l'espectroscòpia de fotoelectrons de raigs X (XPS), l'espectroscòpia de fotoelectrons ultraviolada (UPS), l'espectroscòpia de fotoelectrons resolt en angle (ARPES), l'espectroscòpia de fotoelectrons de dos fotons (2PPE) i l'espectroscòpia de fotoelectrons d'extrem ultraviolat (EUPS).
L'espectroscòpia de fotoelectrons és una eina important per entendre les propietats i interaccions dels àtoms i molècules en diferents estats de la matèria.
