Efecto fotoeléctrico: ¿por qué un electrón absorbe un fotón?

Se puede absorber más de un fotón, pero la probabilidad es mínima para las intensidades habituales. Como escala para las "intensidades habituales", tenga en cuenta que la luz solar en la Tierra tiene una intensidad de aproximadamente$1000\,\mathrm{W/m^2} = 10^{-1}\mathrm{W/cm^2}$.

La razón intuitiva es que el proceso lineal (un electrón absorbe un fotón) es más o menos "improbable" (ya que el acoplamiento entre el campo electromagnético y los electrones es bastante débil), por lo que un proceso en el que interactúan dos fotones es "improbable".$^2$y por lo tanto fuertemente reprimida. Entonces, para intensidades pequeñas, el proceso lineal dominará claramente. La pregunta es solo, a qué intensidades se harán visibles los efectos de segundo orden.

En el artículo de Richard L. Smith, "Efecto fotoeléctrico de dos fotones", Phys. Rev. 128 , 2225 (1962) se analiza la fotocorriente para radiación por encima de la mitad de la frecuencia de corte pero por debajo de la frecuencia de corte. Señalan que para intensidades habituales, la fotocorriente será diminuta, pero que dados campos lo suficientemente fuertes como los observados en un punto de enfoque de un láser (del orden de$10^7\,\mathrm{W/cm^2}$) el efecto podría ser medible. También señalan que el calentamiento térmico por el campo láser puede hacer que el efecto puro de segundo orden no sea observable.

El artículo más reciente S. Varró, E. Elotzky, "El fotoefecto multifotónico y la generación de armónicos en superficies metálicas", J. Phys. D: aplicación física 30 , 3071 (1997) discute el caso en que altas intensidades (en la escala de$10^{10}\,\mathrm{W/cm^2}$) producen efectos de orden aún mayor (y efectos no lineales coherentes inesperadamente altos, es decir, la absorción de más de dos fotones por un electrón). Sus cálculos explican las observaciones experimentales de características nítidas en los espectros de emisión de las superficies metálicas.

Dato histórico divertido: el artículo de 1962 es tan antiguo que habla de un "máser de rubí óptico"; los láseres eran tan nuevos en ese entonces que ni siquiera tenían su nombre todavía.

Mi punto de vista es diferente, así que no vote en contra sin considerarlo lo suficiente. La teoría del efecto fotoeléctrico fue para sentar las bases de la mecánica cuántica, cómo la materia interactúa con la energía de manera cuántica.

Hay muchas objeciones sobre la explicación del efecto, pero aquí toma primero. Si los electrones en un átomo tienen energía cuantificada e interactúan con la energía de manera cuantificada, entonces, ¿cómo un electrón absorbe energía más que la función potencial?

Además, ¿cómo podría explicarse que el fotón de mayor frecuencia emita electrones con mayor energía cinética? Es la fracción de energía utilizada para la estructura atómica. Esto muestra que esta es una forma clásica de interacción, no cuántica.

Además, la intensidad de la luz depende del cuadrado de la frecuencia, por lo que el doble de la frecuencia intensifica la luz cuatro veces,$\varepsilon=h\nu$y la potencia es la tasa de energía,$p=\varepsilon\nu=h\nu^2$. La intensidad no puede permanecer constante al variar la frecuencia. La relación clásica de potencia de radiación involucra el cuadrado de la frecuencia y la velocidad de la onda.

Además, la corriente se satura antes después de la frecuencia umbral para una intensidad de luz dada, y el gráfico muestra que la corriente es linealmente proporcional a la intensidad de la luz incidente. Entonces no prueba la naturaleza cuántica de la luz.