Efeito Fotoelétrico
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Animações de
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ca6/fisicamoderna/efeitofotoele.htm
O efeito fotoelétrico
O que é efeito fotoelétrico?
É o que determinamos experimentalmente quando raios
de luz incindem em uma superfície metálica e essa
superfície emite elétrons. Por exemplo, você pode
produzir uma corrente em um circuito somente fazendo
incidir luz em uma chapa metálica. Por que você acha que
isso acontece?
Bem...a luz é uma onda eletromagnética, e as ondas carregam energia. Então
se uma onda de luz bate em um elétron de um dos átomos do metal, ela
pode transferir energia suficiente para arrancar o elétron de seu átomo.
Ok. Agora, se a luz é de fato composta por ondas como vc sugere....
Como assim, "se a luz é composta"? Existe outra opção?
Historicamente, a luz tem sido considerada mais como partícula do que como
onda; Newton, por exemplo, pensou na luz dessa forma. A concepção da
luz como partícula foi desacreditada com a experiência da fenda dupla de
Young, que demonstrou a característica ondulatória da luz. double slit
experiment. Mas no século 20 alguns cientistas – Einstein foi um deles –
começaram a examinar novamente a idéia corpuscular da luz. Einstein
percebeu que experimentos mais cuidadosos envolvendo efeito fotoelétrico
puderam mostrar se a luz consistia em partículas ou em ondas.
Como? Me parece que o efeito fotoelétrico poderia ocorrer independente se
essa visão fosse correta ou não. Mesmo assim, a luz carregaria energia,
então seria capaz de arrancar os elétrons.
Sim, você está certa. Mas os detalhes do efeito fotoelétrico são diferentes
dependendo da natureza que você considera para a luz- corpuscular ou
ondulatória. Se são ondas, a energia contida em uma das ondas dependerá
somente da sua amplitude, ou seja, da intensidade da luz. Outros fatores
como a freqüência não farão diferença. Então, por exemplo, luz vermelho e
ultravioleta de mesma intensidade ira arrancar o mesmo número de elétrons e
a energia cinética máxima de ambos os grupos de elétrons também seria a
mesma. Diminuindo a intensidade, você terá menos elétrons, e corrente fluirá
mais devagar se a luz for muito fraca, você não perceberá nenhum elétron
fluindo, não importa qual a freqüência utilizada.
•
Isso parece bem razoável para mim. Como o efeito
mudaria se você assumisse que a luz é feita de
partículas?
•
Para responder isso, eu tenho que lhe dar outras
informações primeiro. Tudo começou com o trabalho
sobre radiação de Max Planck
Constante e a Energia de um Fóton
•
Em 1900, Max Planck estava trabalhando no problema de como a
emissão de radiação por um objeto estava relacionada com sua
temperatura. Ele chegou a uma formula que concordava muito com
os dados experimentais, mas a formula só fazia sentido se ele
assumisse que a energia de vibração das moléculas fossem
quantizadas- pudessem assumir somente determinados valores. A
energia deveria ser proporcional à freqüência de vibração, e parecia
concordar com relação de multiplicação de pequenos “pedaços” de
freqüência e uma constante. Essa constante começou a ser
conhecida como constante de Planck, ou h, e seu valor é
•
É uma constante bem pequena.
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Sim, mas é uma idéia extremamente radical sugerir que a energia
pudesse existir somente em pedaços discretos, mesmo se os pedaços
fossem bem pequenos. Planck realmente não percebeu como seu
trabalho era revolucionário para a época; ele pensou que estava só
fudging a matemática para chegar na resposta correta, e estava
convencido de que alguém mais poderia encontrar uma melhor
explicação para sua formula.
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Eu acho que Einstein deve ter levado ele a sério, apesar disso.
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Muito seriamente. Baseando-se no trabalho de Planck, Einstein propôs
que a luz conserva sua energia em blocos; a luz consistira então em
pequenas partículas, ou quanta, chamadas de fótons, cada um com
uma energia proporcional à constante de Planck.
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Nesse caso, a freqüência da luz fará a diferença no efeito fotoelétrico.
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Exatamente. Fótons de alta freqüência possuem mais energia, então eles
fariam os elétrons serem liberados mais rapidamente; dessa foram, se
mudarmos a luz para outra de mesma intensidade mas de freqüência mais
alta, aumentaremos a energia cinética máxima dos elétrons emitidos. Se
você deixar a mesma freqüência mas aumentar a intensidade, mais
elétrons serão emitidos (por que mais fótons estarão “batendo” nesses
elétrons), mas eles não sairão mais rápido, porque cada fóton tem a
mesma energia.
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E se a freqüência é baixa o suficiente, então nenhum fóton terá energia
suficiente para estimular a saída dos elétrons de nenhum átomo. Então se
você usa uma freqüência muito baixa, não terão nenhum elétron emitido,
não importa quão grande seja a intensidade da luz. Por outro lado, se você
usar uma alta freqüência, você ainda liberará alguns elétrons, mesmo se a
intensidade for muito pequena.
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É isso ai. Portanto, com alguns poucos experimentos simples, o efeito
fotoelétrico é capaz de nos dizer se a luz é de fato feito de partículas ou
ondas.
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Alguém já realizou tais experimentos? Como foram feitos?
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Em 1913-1914, R.A. Millikan fez uma série de experimentos
extremamente cuidadosos envolvendo o efeito fotoelétrico. Ele percebeu
que todos os seus resultados concordavam exatamente com as previsões
de Einstein sobre fótons, não com a teoria de ondas. Na verdade, Einstein
ganhou o Prêmio Nobel por seu trabalho do efeito fotoelétrico, não pela
sua famosa teoria da relatividade.
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Então a luz é feita de partículas! Mas espere… e o experimento da dupla
fenda? Eu não vejo como a luz pode ter um padrão de interferência como
aquele a não ser se for feita de ondas?!
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Sim, mas creio que isso é um pouco mais complicado. Alguns resultados
experimentais, como esse, parecem acima de qualquer dúvida que a luz
consiste em partículas; outros insistem, de forma irrefutável, que é onda.
Nós só podemos concluir que a luz é tanto onda como particular – ou o
que algo além do que conseguimos visualizar- pois aparece para nós ora
como onda, ora como partícula, dependendo de como nós a olhamos.
• Veja na animação os fatores que
influenciam no efeito fotoelétrico.
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