Efektu fotoelektriko

Efektu fotoelektrikoa erradiazio elektromagnetikoz (X izpiak, argi ikusgaia...) erasotua izan ondoren, materiatik elektroiak erauztearen fenomeno elektroniko-kuantikoa da ^[1]. Testuinguru honetan, emititu edo erauzitako elektroiak fotoelektroi bezala ere dira izendatuak. Efektu honek Hertz Efektua izena ere badu, ^{[2] [3]} Heinrich Rudolf Hertzek aurkitu baitzuen, haatik izendapen hau ez da jada erabilia.

Efektu fotoelektrikoaren azterketak, argiaren izaera kuantikoaren ulermenean pauso garrantzitsuetara eraman zuen, baita uhin-partikula dualtasuna kontzeptuaren eraketan eragin ere.^[1]

Gainazal metaliko bat atari-maiztasun jakin baten (materialaren araberakoa dena) baino maiztasun handiagoko erradiazio elektromagnetikoz erasotua denean, fotoiak xurgatuak dira eta korronte elektrikoa sortzen da. Atari-maiztasun horretatik beherako erradiazioz erasotua denean ez da elektroirik emititzen, hauek ezin baitute sare kristalinoaren hesi elektrostatikoa gainditzeko energia nahikorik jaso (materialaren lan-funtzioa). 1905ean, jakina zen fotoelektroien energia argi erasotzailearen maiztasuna igoaz batera igotzen zela. Dena dela, igoera honen portaera lineala ez zen esperimentalki determinatu Robert Millikanek 1915. urtean Einstein zuzen zegoela frogatu zuen arte ^[4]

Energiaren kontserbazioaren printzipioaren arabera, elektroiak fotoiaren energia xurgatzen du eta nahikoa bada, elektroiak alde egin dezake materialetik energia zinetiko finitu batekin. Fotoi bakar batek elektroi bakar bat erauzi dezake, fotoi baten energia elektroi bategatik bakarrik xurgatua izan daitekeelako.

Efektu fotoelektrikoak uhin-partikula dualtasunaren garapena indartu zuen, zeina sistema fisikoek (gure kasuan fotoiek) uhin eta partikula-propietateak erakusten dutenaren kontzeptua den (oso erabilia dena mekanika kuantikoan). Albert Einsteinek matematikoki azaldu zuen efektu fotoelektrikoa eta Max Planckek kuantuei buruz eginiko lana hedatu zuen.

Argi-izpi bateko fotoiek, argi horren maiztasunaren araberako berezko energia jakin bat dute. Fotoemisioaren prozesuan, elektroi batek fotoi baten energia xurgatzen badu lan-funtzioa baino energia gehiago lortuz, materialetik erauzia izango da. Fotoiaren energia baxuegia bada, elektroia ez da gai materialaren gainazaletik irteteko. Argi-izpiaren intentsitatearen hazkundeak ez du izpia osatzen duten fotoien energiaren igoerarik ekartzen, berau osatuko duten fotoi kopuruaren hazkundea baizik. Beraz, emitituriko elektroien energia ez da argi erasotzailearen intentsitatearen araberakoa, fotoi bakoitzaren energiaren araberakoa baizik.

Elektroiek fotoietatik energia xurgatu dezakete irradiazio-prozesuan, baina dena edo ezer ez printzipioaren arabera. Fotoi baten energia osoak xurgatua eta erabilia izan behar du elektroi bat askatzeko lotura atomikotik, edo energia berriro emititua izango da (adibidez, fotoiaren energia metalaren lan-funtzioa baino baxuagoa denean). Fotoiaren energia xurgatua bada, energiaren parte batek elektroia atomotik askatzen du eta gainerako energia, elektroiari (jada partikula askea) transferituko zaio, energia zinetiko moduan.

1. Metal eta argi erasotzailearen maiztasun jakin batean, fotoelektroien emisioaren abiadura (ez nahastu emitituriko fotoelektroien abiadurarekin), argi erasotzailearen intentsitatearen zuzenki proportzionala da.
2. Metal jakin baterako, existititzen da erradiazio erasotzailearen maiztasun minimo bat zeinaren balioaren azpitik ezin den fotoelektroirik emititu. Maiztasun horri atari-maiztasuna deritzo.
3. Atari-maiztasunetik gora, emitituriko fotoelektroi baten energia zinetiko maximoak ez du inolako erlaziorik argi erasotzailearen intentsitatearekin, bai ordea argi erasotzailearen maiztasunarekin.
4. Metala erradiazio elektromagnetikoz erasotua denetik fotoelektroi baten emisiorarte iragandako denbora oso laburra da, 10^-9 segundo baino laburragoa.

Efektu fotoelektrikoa Einsteinen metodoarekin kuantitatiboki aztertzean, honelako ekuazio hauek erabiltzen dira:

Fotoiaren energia = Elektroia erauzteko behar den energia + Igorritako elektroiaren energia zinetikoa

Aljebraikoki:

${\displaystyle E=\phi +E_{z}\,}$

${\displaystyle hf=hf_{0}+{\frac {1}{2}}mv^{2}\,}$

non

• h Planck-en konstantea den,
• f fotoi erasotzailearen maiztasuna,
• ${\displaystyle \phi =hf_{0}\ }$ lan funtzioa da (batzuetan ${\displaystyle W_{0}}$ edo ${\displaystyle E_{0}}$ moduan idatzia), metal jakin batetik elektroi bat erauzteko honi eman behar zaion energia minimoa,
• ${\displaystyle E_{z}={\frac {1}{2}}mv^{2}}$ erauzitako elektroien energia zinetiko maximoa
• f₀ efektu fotoelektrikoa gertatzeko behar den atari- edo atalase-maiztasuna da,
• m elektroiaren masa pausagunean, eta

Elektroi baten energia zinetikoa ezin denez negatiboa izan, ekuazioak fotoiaren energia metalaren lan-funtzioaren baino baxuagoa izatekotan, ez dela elektroirik emitituko adierazten du.

1839an, Alexandre Edmon Becquerelek efektu fotoelektrikoa ikusi zuen disoluzio bateko elektrodoan, berau argipean laga zuenean. 1873an Willoughby Smithek selenioa fotoeroalea zela aurkitu zuen.