Fótons – A natureza
corpuscular da
radiação
O Efeito Fotoelétrico
Primeiras observações

H. Hertz (1886-1887)


Descarga entre eletrodos de seu
equipamento ocorriam com mais
facilidade quando se incidia luz
ultravioleta sobre o catodo.
P. Lenard (1902)

Reporta sua investigação mais
detalhada do fenômeno e conclui
que a luz ultravioleta facilita a
descarga porque causa a emissão
de elétrons da superfície do
catodo.
 A ejeção de elétrons de uma
superfície metálica devido à
incidência de luz é o que
chamamos de efeito
fotoelétrico.
Diagrama da montagem experimental





Luz monocromática e de
intensidades variadas incide no
catodo C.
Fotoelétrons são ejetados de C e
acelerados por um potencial V em
direção ao anodo A.
A fotocorrente produzida pelos
fotoelétrons em A é medida no
galvanômetro/amperímetro @.
Mesmo quando V é invertido a
fotocorrente não cai de imediato a
zero.  e- c/energia cinética K.
Existe entretanto um V0 mínimo
que anula a fotocorrente,
independente da intensidade da
luz incidente
Resultados de P. Lenard

Foto-corrente X Intensidadeluz

IPhoto satura p/altos valores Vacel.
 Isat proporcional Intensidade da luz.
 Vret só anula IPhoto p/valor V0
específico: potencial bloqueador.
 V0 é independente da Intensidade !!

Potencial V0 X Energia dos elétrons
V0 é uma medida da Kmáx dos e- .
 e.V0 = Kmáx (independente da
Intensidadeluz)


Potencial V0 X Luz monocromática
V0 é função linear de  (= c/)
 Frequência de corte 0 abaixo da
qual não ocorre E.F. !!

Teoria ondulatória da luz


Os elétrons da superfície metálica
absorvem energia do campo E
oscilante e são ejetados.
Inconsistência com os resultados

Elétrons acelerados por campos mais
intensos adquirem maior energia
cinética. Fato que não é observado.
 A ocorrência do efeito deveria ocorrer
independentemente da frequência.
Bastaria que a onda tivesse
intensidade suficiente.
 Lapsos de tempo significativos, entre
a incidência de luz de baixa
intensidade e a ejeção do foto-elétron,
deveriam ser observados.

A frequência de corte 0 depende do
metal do catodo.
Teoria de Einstein – Efeito fotoelétrico

Uma nova teoria para a
propagação da luz (1905).
Hipótese dos quanta de luz –
fótons
 Pulsos discretos de energia:
 Ef= h. → deslocando-se c/vel. luz


Mecanismo de colisão de
partículas.

Conservação de energia:
 Ke = Ef - w

(w trabalho necessário para vencer as
forças atrativas do metal e perdas
cinéticas)

Kmáx= h. - w0

W 0 – função trabalho do metal
O Efeito Fotoelétrico explicado


Relação linear para V0 x 
e.V0 = h. - w0




Método independente de medida da
constante de Plank (h) e da função
trabalho (w0) característica do metal.
A Kmáx não depende da
intensidade da luz, mas sim da
sua frequência!
Os fótons precisam de uma
energia mínima E0= h.0 para
poder ejetar os elétrons: h.0 = w0
O lapso de tempo não existe já
que basta haver fótons com
energia suficiente para ejetar
elétrons instantaneamente!

Einstein em seu escritório, Berlim 1920.

nobelprize.org
Resultados de Millikan (1916)



Millikan não aceitava a hipótese dos
quanta e tentou por muitos anos
provar experimentalmente que
Einstein estava errado.
Por fim, relutantemente, reconhece a
validade da teoria em seu trabalho1.
1Physical

Review,, vol VII, p. 362 (1916)
Three Nobel Laureates in Physics standing in front of the
Athenaeum at California Institute of Technology (Caltech),
1931. Front row from left: Albert A. Michelson, Albert Einstein
and Robert A. Millikan.
Efeito fotoelétrico - simulação

Obtido em: PhET Interactive Simmulations

http://phet.colorado.edu/index.php
 Simulação
Fótons e a produção
de Raios-X
Radiação contínua - Bremsstrahlung
Produção de Raios-X

Tubo de Raios-X

O espectro contínuo

Elétrons produzidos no catodo (C)
são acelerados em direção ao
anodo metálico (A) por um potencial
(UA) da ordem de 10 KV.
 Colisões sucessivas com átomos
do anodo (A) desaceleram os
elétrons, resultando emissão de um
espectro contínuo de radiação:
Bremsstrahlung.
 Raios-X
  1,0 Å (1 Å = 10-10 m)

Para determinada energia dos
elétrons : E0= e.UA (KeV) existe
um min abaixo do qual cessa a
emissão de radiação.
 min só depende do valor de UA.
Raios-X – fótons de alta energia

Interpretação corpuscular

O e- ao se aproximar do átomo,
sofre desaceleração devido a
interação coulombiana.
 Sua energia E1, antes da
interação, é reduzida para E2 .

O processo coletivo

No processo, cada elétron do
feixe perde quantidades
diferentes de energia (Ei) em
sucessivas colisões até parar.
 Isto dá origem a fótons de
diferentes comprimentos de onda
(i), distribuidos continuamente:
 i= hc/Ei
i= hc/Ei

Comprimento min
Se numa única colisão o e- perde
abruptamente toda a energia
inicial:
 Emáx= E0 – 0 = e.UA

A diferença: E= (E1 – E2)
 Dá origem a um fóton: E= h= E


min= hc/e.UA
(só depende de UA).