Prin efect fotoelectric se întelege emisia de electroni de catre corpuri sub influenta luminii incidente, fenomen utilizat la celulele fotoelectrice sau fotoelemente. Fenomenul descoperit de Hertz (1887) consta în faptul ca sub influenta iluminarii cu razele ultraviolete, scânteia electrica apare mai usor între electrozii, sau eclatorii, 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 întrebuinteaza o celula fotoelectrica în 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 între catodul K si anodul A se obtine o variatie a curentului fotoelectric I (fig 2), curba
caracteristica obtinuta când toti fotoelectronii sunt culesi de catre anod, ca în 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 pâna la zero când s-a aplicat o diferenta de potential întârzietor V pentru care electronii sunt retinuti pe catod. tinând 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 VM, 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 decât de frecventa luminii incidente, creste cu ea si nu depinde de intensitatea luminii incidente.
Einstein (1905) (premiul Nobel în 1921) a explicat fenomenul fotoelectric cu ajutorul cuantelor de lumina numite apoi fotoni. Energia luminoasa nu se propaga conform teoriei ondulatorii în toate directiile, ci se propaga sub forma de cuante, de fotoni. Cu cât cuanta este mai mare, adica are o energie mai mare, cu atât se pot observa mai usor efectele de propagare ale cuantei dupa anumite directii, deci se pun în 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 în întregime aceasta energie hv. Aceasta energie contribuie la învingerea barierei de potential (eV0) si la comunicarea unei viteze VM electronului, bilantul energetic fiind dat de:
Millikan (1916) (premiul Nobel în 1923) si apoi Lukirski (1928) au cercetat în 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 hvo = eV0, ceea ce arata ca efectul fotoelectric nu poate sa apara decât daca frecventa radiatiei este mai mare decât V0, adica V > V0. Frecventa V0 ia denumirea de pragul rosu al efectului fotoelectric, depinzând de structura si starea suprafetei fotocatodului (metalele alcaline au acest prag în 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 ≈10-19 m2 . Fiecare din ei va culege, pe secunda, conform teoriei ondulatorii a luminii, o energie luminoasa de ≈10-2 W,daca energia luminoasa este uniform repartizata asupra lor. Însa pentru l=0,5m deci cu frecventa v=6×1014Hz, energia eV0 (=hv0) pentru extragerea unui electron este de ≈10-19 J, astfel ca este necesar un timp de ≈4000 secunde pentru ca energia acumulata de un atom sa fie suficienta pentru eliberarea unui electron, ori, s-a constatat ca acest timp este de ≈10-8 secunde.
Curentul fotoelectric depinde de lungimea de unda incidenta. Astfel, lucrând 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, începând cu lungimea de unda care corespunde pragului fotoelectric (fig. 3). Sunt însa suprafete care prezinta o emisie pronuntata selectiva, efect fotoelectric selectiv, într-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 în evidenta în mod clar întrebuintând lumina polarizata liniar. Daca vectorul electric al luminii este paralel cu planul de incidenta se obtine efectul selectiv (fig.5). Când vectorul luminos este perpendicular pe planul de incidenta apare efectul normal. Efectul selectiv creste cu atât mai mult cu cât 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 îsi maresc conductibilitatea electrica, când 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 în stratul de Cu2O se pun în libertate fotoelectroni care trec usor de la Cu2O spre Cu, celula având proprietati redresoare. Celula actioneaza ca un transformator al energiei luminoase în 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 în surplus datorita impuritatilor de As din siliciu) pus în contact cu un strat transparent de siliciu – p (cu conductibilitate prin lipsa de electroni datorita impuritatilor de Ga din siliciu). Diferenta în concentratiile electronice care creeaza, prin difuziune, o sarcina spatiala (în echilibru) în regiunea suprafetei de contact, este perturbata de catre fotonii incidenti si duce la aparitia unei forte electromotoare fotoelectrice, care produce un curent în 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 când ea este polarizata, un fel de efect invers efectului fotoelectric.
BIBLIOGRAFIE
G.G. Bratescu, OPTICA, E.D.P., Bucuresti, 1982
NOTA IMPORTANTA: ARTICOLELE PUBLICATE IN PAGINA DE REFERATE AU SCOP DIDACTIC SI SUNT ELABORATE IN URMA UNEI DOCUMENTARI SUSTINUTE. ESTE STRICT INTERZISA PRELUAREA ARTICOLELOR DE PE SITE SI PREZENTAREA LOR LA ORELE DE CURS. Referatele din aceasta sectiune sunt trimise de diferiti colaboratori ai proiectului nostru. Referatele va sunt prezentate pentru COMPLETAREA STUDIULUI INDIVIDUAL, si va incurajam si sustinem sa faceti si voi altele noi bazate pe cercetari proprii.
