Effetto fotoelettrico

L’effetto fotoelettrico è l’emissione di elettroni o altri vettori liberi quando la luce brilla su un materiale.Gli elettroni emessi in questo modo possono essere chiamati fotoelettroni. Questo fenomeno è comunemente studiato nella fisica elettronica, così come nei campi della chimica, come la chimica quantistica o l’elettrochimica.

Secondo la teoria elettromagnetica classica, questo effetto può essere attribuito al trasferimento di energia dalla luce a un elettrone. Da questa prospettiva, un’alterazione dell’intensità della luce indurrebbe cambiamenti nell’energia cinetica degli elettroni emessi dal metallo. Inoltre, secondo questa teoria, ci si aspetterebbe che una luce sufficientemente fioca mostri un intervallo di tempo tra lo scintillio iniziale della sua luce e la successiva emissione di un elettrone. Tuttavia, i risultati sperimentali non erano correlati con nessuna delle due previsioni fatte dalla teoria classica.

Invece, gli elettroni vengono spostati solo dall’impatto dei fotoni quando quei fotoni raggiungono o superano una frequenza di soglia (energia). Al di sotto di questa soglia, nessun elettrone viene emesso dal materiale indipendentemente dall’intensità della luce o dalla durata del tempo di esposizione alla luce. (Raramente, un elettrone sfuggirà assorbendo due o più quanti, ma questo è estremamente raro perché quando assorbe abbastanza quanti per scappare, l’elettrone probabilmente emetterà il resto dei quanti.) Per dare un senso al fatto che la luce può espellere gli elettroni anche se la sua intensità è bassa, Albert Einstein ha proposto che un raggio di luce non è un’onda che si propaga nello spazio, ma piuttosto una raccolta di pacchetti d’onda discreti (fotoni), ciascuno con energia hν. Ciò fa luce sulla precedente scoperta di Max Planck della relazione di Planck (E = hν) che collega l’energia (E) e la frequenza (ν) come derivanti dalla quantizzazione dell’energia. Il fattore h è noto come costante di Planck.

Nel 1887, Heinrich Hertz scoprì che gli elettrodi illuminati con luce ultravioletta creano più facilmente scintille elettriche. Nel 1900, mentre studiava le radiazioni del corpo nero, il fisico tedesco Max Planck suggerì che l’energia trasportata dalle onde elettromagnetiche poteva essere rilasciata solo in “pacchetti” di energia. Nel 1905, Albert Einstein pubblicò un articolo che faceva avanzare l’ipotesi che l’energia luminosa fosse trasportata in pacchetti quantizzati discreti per spiegare i dati sperimentali dall’effetto fotoelettrico. Questo modello ha contribuito allo sviluppo della meccanica quantistica. Nel 1914, Millikan’s Experiment supportò il modello di Einstein dell’effetto fotoelettrico.Einstein ricevette il Premio Nobel nel 1921 per “la sua scoperta della legge dell’effetto fotoelettrico”, e Robert Millikan fu insignito del premio Nobel nel 1923 per “il suo lavoro sulla carica elementare dell’elettricità e sull’effetto fotoelettrico”.

L’effetto fotoelettrico richiede fotoni con energie che si avvicinano a zero (nel caso di affinità elettronica negativa) a oltre 1 MeV per gli elettroni del nucleo in elementi con un numero atomico elevato. L’emissione di elettroni di conduzione da metalli tipici richiede in genere un numero di elettron-volt, corrispondente alla luce visibile a raggi-sole o alla luce ultravioletta. Lo studio dell’effetto fotoelettrico ha portato a importanti passi nella comprensione della natura quantistica della luce e degli elettroni e ha influenzato la formazione del concetto di dualità onda-particella. Altri fenomeni in cui la luce influenza il movimento delle cariche elettriche includono l’effetto fotoconduttivo (noto anche come fotoconduttività o fotoresistività), l’effetto fotovoltaico e l’effetto fotoelettrochimico.

La fotoemissione può avvenire da qualsiasi materiale, ma è più facilmente osservabile da metalli o altri conduttori perché il processo produce uno squilibrio di carica e se questo squilibrio di carica non viene neutralizzato dal flusso di corrente (abilitato dalla conduttività), la potenziale barriera alle emissioni aumenta fino a la corrente di emissione cessa. È anche normale avere la superficie emittente nel vuoto, poiché i gas impediscono il flusso dei fotoelettroni e li rendono difficili da osservare. Inoltre, la barriera energetica alla fotoemissione è solitamente aumentata da sottili strati di ossido sulle superfici metalliche se il metallo è stato esposto all’ossigeno, quindi la maggior parte degli esperimenti pratici e dei dispositivi basati sull’effetto fotoelettrico utilizzano superfici metalliche pulite nel vuoto.

Quando il fotoelettrone viene emesso in un solido piuttosto che nel vuoto, viene spesso utilizzato il termine fotoemissione interna e l’emissione nel vuoto si distingue come fotoemissione esterna.

Meccanismo di emissione
I fotoni di un raggio di luce hanno un’energia caratteristica proporzionale alla frequenza della luce.Nel processo di fotoemissione, se un elettrone all’interno di un materiale assorbe l’energia di un fotone e acquisisce più energia della funzione di lavoro (l’energia di legame degli elettroni) del materiale, viene espulso. Se l’energia del fotone è troppo bassa, l’elettrone non è in grado di sfuggire al materiale. Poiché un aumento dell’intensità della luce a bassa frequenza aumenterà solo il numero di fotoni a bassa energia inviati in un dato intervallo di tempo, questo cambiamento di intensità non creerà alcun singolo fotone con abbastanza energia da rimuovere un elettrone. Pertanto, l’energia degli elettroni emessi non dipende dall’intensità della luce in ingresso, ma solo dall’energia (frequenza equivalente) dei singoli fotoni. È un’interazione tra il fotone incidente e gli elettroni più esterni.

Gli elettroni possono assorbire energia dai fotoni quando vengono irradiati, ma di solito seguono un principio “tutto o niente”. Tutta l’energia di un fotone deve essere assorbita e utilizzata per liberare un elettrone dal legame atomico, altrimenti l’energia viene riemessa. Se l’energia del fotone viene assorbita, parte dell’energia libera l’elettrone dall’atomo, e il resto contribuisce all’energia cinetica dell’elettrone come una particella libera.

Osservazioni sperimentali di emissione fotoelettrica
La teoria dell’effetto fotoelettrico deve spiegare le osservazioni sperimentali dell’emissione di elettroni da una superficie metallica illuminata.

Per una data superficie metallica, esiste una certa frequenza minima di radiazione incidente al di sotto della quale non vengono emessi fotoelettroni. Questa frequenza è chiamata frequenza di soglia. Aumentando la frequenza del fascio incidente, mantenendo fisso il numero di fotoni incidenti (questo comporterebbe un aumento proporzionale dell’energia) aumenta l’energia cinetica massima dei fotoelettroni emessi. Quindi la tensione di arresto aumenta. Anche il numero di elettroni cambia a causa della probabilità che ogni fotone produca un elettrone emesso in funzione dell’energia fotonica. Se viene aumentata l’intensità della radiazione incidente di una determinata frequenza, non vi è alcun effetto sull’energia cinetica di ciascun fotoelettrone.

Al di sopra della frequenza di soglia, l’energia cinetica massima del fotoelettrone emesso dipende dalla frequenza della luce incidente, ma è indipendente dall’intensità della luce incidente, purché quest’ultima non sia troppo alta.

Per un determinato metallo e frequenza di radiazione incidente, la velocità con cui i fotoelettroni vengono espulsi è direttamente proporzionale all’intensità della luce incidente. Un aumento dell’intensità del fascio incidente (mantenendo fissa la frequenza) aumenta la grandezza della corrente fotoelettrica, anche se la tensione di arresto rimane la stessa.

L’intervallo di tempo tra l’incidenza delle radiazioni e l’emissione di un fotoelettrone è molto piccolo, meno di 10-9 secondi.

La direzione di distribuzione dei picchi di elettroni emessi nella direzione della polarizzazione (la direzione del campo elettrico) della luce incidente, se è polarizzata linearmente.

Descrizione matematica
Nel 1905, Einstein propose una spiegazione dell’effetto fotoelettrico usando un concetto proposto da Max Planck che le onde luminose consistessero in piccoli fasci o pacchetti di energia noti come fotoni o quanti.

La massima energia cinetica  di un elettrone espulso è dato da

dove  è la costante di Planck e  è la frequenza del fotone incidente. Il termine  è la funzione di lavoro (a volte indicata  , o  , che fornisce l’energia minima necessaria per rimuovere un elettrone delocalizzato dalla superficie del metallo. La funzione di lavoro soddisfa


dove  è la frequenza di soglia per il metallo. L’energia cinetica massima di un elettrone espulso è quindi

L’energia cinetica è positiva, quindi dobbiamo avere  perché l’effetto fotoelettrico si verifichi.

Fermare il potenziale
La relazione tra corrente e tensione applicata illustra la natura dell’effetto fotoelettrico. Per la discussione, una sorgente luminosa illumina una piastra P, e un altro elettrodo a piastra Q raccoglie eventuali elettroni emessi. Variamo il potenziale tra P e Q e misuriamo la corrente che scorre nel circuito esterno tra le due piastre.

Se la frequenza e l’intensità della radiazione incidente sono fisse, la corrente fotoelettrica aumenta gradualmente con un aumento del potenziale positivo sull’elettrodo collettore fino a quando tutti i fotoelettroni emessi vengono raccolti. La corrente fotoelettrica raggiunge un valore di saturazione e non aumenta ulteriormente per l’eventuale aumento del potenziale positivo. La corrente di saturazione aumenta all’aumentare dell’intensità della luce. Aumenta anche con frequenze maggiori a causa di una maggiore probabilità di emissione di elettroni quando si verificano collisioni con fotoni di energia più alta.

Se applichiamo un potenziale negativo alla piastra Q del collettore rispetto alla piastra P e lo aumentiamo gradualmente, la corrente fotoelettrica diminuisce, diventando zero ad un certo potenziale negativo. Il potenziale negativo sul collettore a cui la corrente fotoelettrica diventa zero è chiamato potenziale di arresto o potenziale di interruzione

io. Per una data frequenza di radiazione incidente, il potenziale di arresto è indipendente dalla sua intensità.

ii. Per una data frequenza di radiazione incidente, il potenziale di arresto è determinato dall’energia cinetica massima  dei fotoelettroni che vengono emessi. Se e è la carica sull’elettrone e  è il potenziale di arresto, quindi il lavoro svolto dal potenziale ritardante nell’arresto dell’elettrone è  , così abbiamo

rievocazione

vediamo che la tensione di arresto varia linearmente con la frequenza della luce, ma dipende dal tipo di materiale. Per ogni materiale particolare, c’è una frequenza di soglia che deve essere superata, indipendentemente dall’intensità della luce, per osservare qualsiasi emissione di elettroni.

Modello a tre fasi
Nel regime a raggi X, l’effetto fotoelettrico nel materiale cristallino viene spesso scomposto in tre fasi:

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Effetto fotoelettrico interno (vedi fotodiodo di seguito [chiarimento necessario]). Il buco lasciato dietro può dare origine all’effetto Auger, che è visibile anche quando l’elettrone non lascia il materiale. Nei solidi molecolari i fononi sono eccitati in questa fase e possono essere visibili come linee nell’energia dell’elettrone finale. Il fotoeffetto interno deve essere dipolo consentito [chiarimento necessario] Le regole di transizione per gli atomi si traducono tramite il modello a legame stretto sul cristallo. [Chiarimento necessario] Sono simili nella geometria alle oscillazioni del plasma in quanto devono essere trasversali.
Trasporto balistico [chiarimento necessario] di metà degli elettroni alla superficie. Alcuni elettroni sono dispersi.
Gli elettroni sfuggono dal materiale in superficie.
Nel modello a tre fasi, un elettrone può intraprendere percorsi multipli attraverso questi tre passaggi.Tutti i percorsi possono interferire nel senso della formulazione integrale del percorso. Per gli stati superficiali e le molecole il modello in tre fasi ha ancora un senso poiché anche la maggior parte degli atomi ha più elettroni che possono disperdere l’elettrone in uscita.

Storia
Quando una superficie è esposta a radiazioni elettromagnetiche al di sopra di una certa frequenza di soglia (in genere luce visibile per metalli alcalini, vicino all’ultravioletto per altri metalli e ultravioletto estremo per non metalli), la radiazione viene assorbita e gli elettroni vengono emessi. La luce, e in particolare la luce ultravioletta, scarica corpi elettrizzati negativamente con la produzione di raggi della stessa natura dei raggi catodici. In determinate circostanze può ionizzare direttamente i gas. Il primo di questi fenomeni fu scoperto da Hertz e Hallwachs nel 1887. Il secondo fu annunciato per primo da Philipp Lenard nel 1900.

La luce ultravioletta per produrre questi effetti può essere ottenuta da una lampada ad arco, o bruciando magnesio, o facendo scintillare con una bobina di induzione tra terminali di zinco o di cadmio, la cui luce è molto ricca di raggi ultravioletti. La luce del sole non è ricca di raggi ultravioletti, poiché sono stati assorbiti dall’atmosfera e non producono un effetto così grande come la luce ad arco. Molte sostanze oltre ai metalli scaricano elettricità negativa sotto l’azione della luce ultravioletta: elenchi di queste sostanze saranno trovati in documenti di GC Schmidt e O. Knoblauch.

19esimo secolo
Nel 1839, Alexandre Edmond Becquerel scoprì l’effetto fotovoltaico mentre studiava l’effetto della luce sulle celle elettrolitiche. Sebbene non equivalente all’effetto fotoelettrico, il suo lavoro sul fotovoltaico è stato determinante nel mostrare una forte relazione tra la luce e le proprietà elettroniche dei materiali. Nel 1873, Willoughby Smith scoprì la fotoconduttività nel selenio mentre testava il metallo per le sue proprietà ad alta resistenza insieme al suo lavoro che coinvolgeva i cavi telegrafici sottomarini.

Johann Elster (1854-1920) e Hans Geitel (1855-1923), studenti di Heidelberg, svilupparono le prime fotocellule pratiche che potevano essere utilizzate per misurare l’intensità della luce. 458 Elster e Geitel avevano investigato con grande successo gli effetti prodotti dalla luce su corpi elettrificati.

Nel 1887, Heinrich Hertz osservò l’effetto fotoelettrico, la produzione e la ricezione di onde elettromagnetiche. Ha pubblicato queste osservazioni sulla rivista Annalen der Physik. Il suo ricevitore consisteva in una bobina con uno spinterometro, in cui si sarebbe verificata una scintilla al rilevamento di onde elettromagnetiche. Posò l’apparecchio in una scatola buia per vedere meglio la scintilla. Tuttavia, ha notato che la lunghezza massima della scintilla è stata ridotta quando nella scatola. Un pannello di vetro posto tra la sorgente di onde elettromagnetiche e il ricevitore ha assorbito la radiazione ultravioletta che ha aiutato gli elettroni a saltare attraverso lo spazio. Quando rimosso, la lunghezza della scintilla aumenterebbe. Non ha osservato alcuna riduzione della lunghezza della scintilla quando ha sostituito il vetro con il quarzo, poiché il quarzo non assorbe le radiazioni UV. Hertz ha concluso i suoi mesi di indagini e riportato i risultati ottenuti. Non ha ulteriormente perseguito l’indagine su questo effetto.

La scoperta di Hertz nel 1887 che l’incidenza della luce ultravioletta su uno spinterometro facilitava il passaggio della scintilla, portò immediatamente a una serie di indagini di Hallwachs, Hoor, Righi e Stoletow sull’effetto della luce, e specialmente di ultra – Luce viola, su corpi carichi. Da queste ricerche è stato dimostrato che una superficie di zinco appena pulita, se caricata con elettricità negativa, perde rapidamente questa carica per quanto piccola possa essere quando la luce ultravioletta cade sulla superficie; mentre se la superficie non è caricata per cominciare, acquisisce una carica positiva quando viene esposta alla luce, l’elettrificazione negativa che esce nel gas con cui il metallo è circondato; questa positiva elettrificazione può essere molto aumentata dirigendo un forte airblast contro la superficie. Se tuttavia la superficie dello zinco è elettrificata positivamente, non subisce alcuna perdita di carica se esposta alla luce: questo risultato è stato messo in discussione, ma un attento esame del fenomeno da parte di Elster e Geitel ha dimostrato che la perdita osservata in determinate circostanze è dovuta a lo scarico dalla luce riflessa dalla superficie di zinco dell’elettrificazione negativa sui conduttori vicini indotta dalla carica positiva, l’elettricità negativa sotto l’influenza del campo elettrico che si sposta fino alla superficie elettrificata positivamente.

20 ° secolo
La scoperta della ionizzazione dei gas per mezzo della luce ultravioletta fu fatta da Philipp Lenard nel 1900. Poiché l’effetto era prodotto su diversi centimetri d’aria e produceva ioni negativi molto positivi e piccoli, era naturale interpretare il fenomeno, così come JJ Thomson, come effetto di Hertz sulle particelle solide o liquide presenti nel gas.

Nel 1902, Lenard osservò che l’energia dei singoli elettroni emessi aumentava con la frequenza (che è correlata al colore) della luce.

Questo sembrava essere in disaccordo con la teoria ondulatoria della luce di Maxwell, che predisse che l’energia dell’elettrone sarebbe stata proporzionale all’intensità della radiazione.

Lenard osservò la variazione nell’energia degli elettroni con la frequenza della luce usando una potente lampada ad arco elettrico che gli permise di studiare grandi cambiamenti di intensità, e che aveva una potenza sufficiente per permettergli di studiare la variazione del potenziale con la frequenza della luce. Il suo esperimento ha misurato direttamente i potenziali, non l’energia cinetica degli elettroni: ha trovato l’energia dell’elettrone collegandola al massimo potenziale di arresto (tensione) in un fototubo. Ha trovato che l’energia cinetica massima calcolata è determinata dalla frequenza della luce. Ad esempio, un aumento della frequenza si traduce in un aumento dell’energia cinetica massima calcolata per un elettrone al momento della liberazione: la radiazione ultravioletta richiederebbe un potenziale di arresto applicato più elevato per arrestare la corrente in un fototubro rispetto alla luce blu. Tuttavia, i risultati di Lenard erano qualitativi piuttosto che quantitativi a causa della difficoltà nell’esecuzione degli esperimenti: gli esperimenti dovevano essere fatti su metallo appena tagliato in modo che il metallo puro fosse osservato, ma si ossidava in pochi minuti anche nei vuoti parziali. Usato. La corrente emessa dalla superficie è stata determinata dall’intensità o luminosità della luce: il raddoppio dell’intensità della luce ha raddoppiato il numero di elettroni emessi dalla superficie.

Le ricerche di Langevin e di Eugene Bloch hanno dimostrato che la maggior parte dell’effetto Lenard è certamente dovuta a questo “effetto Hertz”. L’effetto di Lenard sul gas [la chiarificazione necessaria] stessa tuttavia esiste. Rifondato da JJ Thomson e poi più decisamente da Frederic Palmer, Jr., è stato studiato e ha mostrato caratteristiche molto diverse da quelle inizialmente attribuite a Lenard.

Nel 1905, Albert Einstein risolse questo apparente paradosso descrivendo la luce come composta da quanti discreti, ora chiamati fotoni, piuttosto che onde continue. Basandosi sulla teoria di Max Planck sulle radiazioni del corpo nero, Einstein teorizzò che l’energia in ogni quanto di luce fosse uguale alla frequenza moltiplicata per una costante, in seguito chiamata costante di Planck. Un fotone sopra una frequenza di soglia ha l’energia necessaria per espellere un singolo elettrone, creando l’effetto osservato. Questa scoperta portò alla rivoluzione quantistica in fisica e nel 1921 conquistò il premio Nobel per la fisica a Einstein. Con la dualità onda-particella l’effetto può essere analizzato puramente in termini di onde, anche se non con la stessa convenienza.

La descrizione matematica di Albert Einstein su come l’effetto fotoelettrico è stato causato dall’assorbimento di quanti di luce era in uno dei suoi articoli del 1905, intitolato “Su un punto di vista euristico riguardante la produzione e la trasformazione della luce”. Questo articolo ha proposto la semplice descrizione di “quanti di luce”, o fotoni, e ha mostrato come hanno spiegato fenomeni come l’effetto fotoelettrico. La sua semplice spiegazione in termini di assorbimento di quanti discreti della luce spiegava le caratteristiche del fenomeno e la frequenza caratteristica.

L’effetto fotoelettrico ha contribuito a spingere il concetto emergente della dualità onda-particella nella natura della luce. La luce possiede simultaneamente le caratteristiche di entrambe le onde e le particelle, ciascuna manifestata secondo le circostanze. L’effetto era impossibile da comprendere in termini della classica descrizione ondulatoria della luce, in quanto l’energia degli elettroni emessi non dipendeva dall’intensità della radiazione incidente. La teoria classica prevedeva che gli elettroni avrebbero “raccolto” energia per un periodo di tempo, e quindi sarebbero stati emessi.

Usi ed effetti

fotomoltiplicatori
Si tratta di tubi a vuoto estremamente sensibili alla luce con un fotocatodo rivestito su una parte (un’estremità o un lato) dell’interno della busta. Il fotocatodo contiene combinazioni di materiali come il cesio, il rubidio e l’antimonio appositamente selezionati per fornire una bassa funzione di lavoro, quindi quando illuminato anche da livelli molto bassi di luce, il fotocatodo rilascia prontamente elettroni. Mediante una serie di elettrodi (dinodi) a potenziali sempre più elevati, questi elettroni vengono accelerati e sostanzialmente aumentati di numero attraverso emissioni secondarie per fornire una corrente di uscita facilmente rilevabile. I fotomoltiplicatori sono ancora comunemente usati ovunque siano rilevati bassi livelli di luce.

Sensori di immagine
I tubi delle videocamere agli albori della televisione hanno usato l’effetto fotoelettrico, ad esempio, il “Dissettore di immagini” di Philo Farnsworth utilizzava uno schermo caricato dall’effetto fotoelettrico per trasformare un’immagine ottica in un segnale elettronico scansionato.

Elettroscopio a foglia d’oro
Gli elettroscopi a foglia d’oro sono progettati per rilevare l’elettricità statica. La carica posta sul cappuccio metallico si diffonde allo stelo e alla foglia d’oro dell’elettroscopio. Poiché hanno la stessa carica, lo stelo e la foglia si respingono a vicenda. Questo farà piegare la foglia dal gambo.

Un elettroscopio è uno strumento importante per illustrare l’effetto fotoelettrico. Ad esempio, se l’elettroscopio è caricato negativamente dappertutto, c’è un eccesso di elettroni e la foglia è separata dallo stelo. Se la luce ad alta frequenza brilla sul cappuccio, l’elettroscopio si scarica e la foglia si affloscia. Questo perché la frequenza della luce che brilla sul cappuccio è superiore alla frequenza della soglia del tappo. I fotoni nella luce hanno abbastanza energia per liberare gli elettroni dal cappuccio, riducendo la sua carica negativa. Questo scaricherà un elettroscopio caricato negativamente e caricherà ulteriormente un elettroscopio positivo. Tuttavia, se la radiazione elettromagnetica che colpisce il cappuccio metallico non ha una frequenza sufficientemente alta (la sua frequenza è inferiore al valore di soglia per il cappuccio), allora la foglia non si scaricherà mai, indipendentemente da quanto a lungo si accende la luce a bassa frequenza cap.

Spettroscopia fotoelettronica
Poiché l’energia dei fotoelettroni emessi è esattamente l’energia del fotone incidente meno la funzione di lavoro del materiale o l’energia di legame, la funzione di lavoro di un campione può essere determinata bombardandola con una sorgente monocromatica a raggi X o UV, e misurando il distribuzione dell’energia cinetica degli elettroni emessi.

La spettroscopia fotoelettronica viene solitamente eseguita in un ambiente ad alto vuoto, poiché gli elettroni sarebbero dispersi dalle molecole di gas se fossero presenti. Tuttavia, alcune aziende stanno vendendo prodotti che consentono la fotoemissione in onda. La sorgente di luce può essere un laser, un tubo di scarico o una sorgente di radiazione di sincrotrone.

L’analizzatore emisferico concentrico è un tipico analizzatore di energia a elettroni e utilizza un campo elettrico per modificare le direzioni degli elettroni incidenti, a seconda delle loro energie cinetiche. Per ogni elemento e nucleo (orbitale atomico) ci sarà una diversa energia di legame. I molti elettroni creati da ciascuna di queste combinazioni appariranno come picchi nell’output dell’analizzatore e questi possono essere usati per determinare la composizione elementare del campione.

Navicella spaziale
L’effetto fotoelettrico farà sì che il veicolo spaziale esposto alla luce solare sviluppi una carica positiva. Questo può essere un grosso problema, in quanto altre parti della navicella spaziale sono in ombra, il che comporterà lo sviluppo di una carica negativa dai plasmi vicini. Lo squilibrio può scaricare attraverso delicati componenti elettrici. La carica statica creata dall’effetto fotoelettrico è auto-limitante, perché un oggetto caricato più alto non rinuncia ai suoi elettroni con la stessa facilità con cui un oggetto a bassa carica lo fa.

Polvere di luna
La luce proveniente dal sole che colpisce la polvere lunare fa sì che si carichi dell’effetto fotoelettrico.La polvere caricata poi si respinge e solleva la superficie della Luna con la levitazione elettrostatica.Questo si manifesta quasi come una “atmosfera di polvere”, visibile come una sottile foschia e sfocatura di tratti lontani, e visibile come un bagliore fioco dopo che il sole è tramontato. Questo è stato fotografato per la prima volta dalle sonde del programma Surveyor negli anni ’60. Si pensa che le particelle più piccole siano respinte a chilometri dalla superficie e che le particelle si muovano nelle “fontane” mentre si caricano e scaricano.

Dispositivi per la visione notturna
I fotoni che colpiscono un film sottile di metallo alcalino o materiale semiconduttore come l’arseniuro di gallio in un tubo intensificatore di immagine causano l’espulsione dei fotoelettroni a causa dell’effetto fotoelettrico. Questi sono accelerati da un campo elettrostatico dove colpiscono uno schermo rivestito di fosforo, convertendo gli elettroni indietro in fotoni. L’intensificazione del segnale viene raggiunta attraverso l’accelerazione degli elettroni o aumentando il numero di elettroni attraverso le emissioni secondarie, ad esempio con una piastra micro-channel. A volte viene utilizzata una combinazione di entrambi i metodi. È necessaria un’ulteriore energia cinetica per spostare un elettrone fuori dalla banda di conduzione e nel livello del vuoto. Questo è noto come l’affinità elettronica del fotocatodo ed è un’altra barriera alla fotoemissione diversa dalla banda proibita, spiegata dal modello di band gap. Alcuni materiali come l’arsenuro di gallio hanno un’affinità elettronica efficace inferiore al livello della banda di conduzione. In questi materiali, gli elettroni che si muovono verso la banda di conduzione hanno tutta l’energia sufficiente per essere emessi dal materiale e in quanto tali, il film che assorbe i fotoni può essere piuttosto spessa. Questi materiali sono noti come materiali di affinità elettronica negativa.

Sezione trasversale
L’effetto fotoelettrico è un meccanismo di interazione tra fotoni e atomi. È una delle 12 interazioni teoricamente possibili.

Alle alte energie del fotone, paragonabili all’energia di riposo degli elettroni di 511 keV, può avvenire un scattering Compton, un altro processo. Oltre il doppio di questa produzione (1.022 MeV) può verificarsi. La diffusione di Compton e la produzione di coppie sono esempi di altri due meccanismi concorrenti.

Infatti, anche se l’effetto fotoelettrico è la reazione preferita per una particolare interazione di elettrone legato a un singolo fotone, il risultato è anche soggetto a processi statistici e non è garantito, anche se il fotone è sicuramente scomparso e un elettrone legato è stato eccitato (di solito Elettroni a conchiglia K o L a energie di raggi gamma). La probabilità che l’effetto fotoelettrico si verifichi è misurata dalla sezione trasversale dell’interazione, σ. Questo è stato trovato per essere una funzione del numero atomico dell’atomo bersaglio e dell’energia del fotone. Un’approssimazione approssimativa, per energie di fotoni al di sopra della più alta energia di legame atomico, è data da:

Qui Z è il numero atomico e n è un numero che varia tra 4 e 5. (A energie del fotone inferiori una struttura caratteristica con bordi appare, bordo K, bordi L, bordi M, ecc.) L’interpretazione ovvia segue che l’effetto fotoelettrico rapidamente diminuisce l’irrilevanza, nella regione dei raggi gamma dello spettro, con l’aumentare dell’energia fotonica, e che l’effetto fotoelettrico aumenta vertiginosamente con il numero atomico. Il corollario è che i materiali ad alta Z fanno buoni schermi di raggi gamma, che è la ragione principale per cui il piombo (Z = 82) è uno scudo di radiazioni gamma preferito e onnipresente.

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