O Efeito fotoelétrico

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Desde as últimas postagens, a luz tem sido apresentada a partir de uma abordagem ondulatória. Nesse sentido, ela foi classificada dentro do grupo das ondas eletromagnéticas. Apesar desse seu aspecto ter sido capaz de esclarecer diversos fenômenos, tais como a difração e a interferência, o efeito que analisaremos a seguir só pôde ser entendido a partir de uma nova perspectiva. Nessa perspectiva, o aspecto corpuscular teve que ser assumindo. No texto a seguir, faremos uma breve análise desse fenômeno, conhecido como efeito fotoelétrico.

Para entendimento desse efeito podemos considerar um aparato composto por uma superfície metálica fotossensível¹ ligada ao polo negativo de uma bateria, uma placa positiva ligada a um amperímetro² que por sua vez se liga ao polo positivo da mesma bateria. A superfície e a placa estão inseridas em uma ampola³ de vidro, conforme a figura seguinte.

Figura 14: Esquema do experimento do efeito fotoelétrico.

Fonte: Próprio autor.

Nessa figura, 1 indica a fonte de luz, 2 corresponde a placa metálica, 3 é a bateria, 4 é o amperímetro, 5 é o botão que modifica a frequência luminosa (as cores) e 6 é o botão que controla a intensidade da luz incidente.

O experimento se processa de forma relativamente simples: quando a superfície fotossensível é atingida pela luz, elétrons são liberados e atraídos para o polo oposto. Durante o deslocamento o amperímetro registra a corrente elétrica formada.

Para que possamos entender esse fenômeno, necessitamos verificar em que condições ele ocorre. A seguir, enumeraremos alguns questionamentos e verificaremos suas possibilidades através de animações:

1. A intensidade luminosa é capaz de influenciar o fenômeno?

Animação 16: Efeito fotoelétrico 1.

Fonte: Próprio autor.

Nessa animação, observou-se que com comprimento de onda utilizado (correspondente ao vermelho) o aumento da intensidade luminosa não provocou a ejeção de elétrons.

2. Já que o vermelho, em sua maior intensidade, não foi capaz de ejetar os elétrons, outra cor seria capaz de realizar esta tarefa?

Animação 17: Efeito fotoelétrico 2.

Fonte: Próprio autor.

Observe que a intensidade da luz nessa situação foi reduzida ao mesmo valor da animação anterior (25%). Nota-se que ao passarmos gradativamente do vermelho para o verde, este último foi capaz de ejetar elétrons como desejávamos. Isto também tem relação com o tipo de metal em que a luz incide, nessa representação a placa metálica é de sódio, se a placa fosse feita de outro metal a frequência luminosa mínima capaz de ejetar elétrons seria diferente da mostrada. Naturalmente, não poderíamos visualizar os elétrons como é representado na animação, mas poderíamos detectar sua presença pela alteração no amperímetro, como foi mostrado.

3. Se continuarmos mudando o comprimento de onda, o que acontecerá?

Animação 18: Efeito fotoelétrico 3.

Fonte: Próprio autor.

Ainda mantendo a mesma intensidade luminosa, vimos que quando o comprimento de onda vai se aproximando do correspondente ao violeta, a velocidade dos elétrons é aumentada, ou seja, sua energia cinética é aumentada.

4. Se voltarmos a usar o comprimento de onda que primeiro possibilitou a ejeção dos elétrons, aumentando a intensidade luminosa, o que aconteceria?

Animação 19: Efeito fotoelétrico 4.

Fonte: Próprio autor.

Ao passo que a intensidade luminosa é aumentada, o número de elétrons ejetados também é aumentado, observe também que o amperímetro registra uma corrente mais intensa. 
⚐ Você pode utilizar um simulador do efeito fotoelétrico a partir da plataforma de simulações Phet. Acesse-o aqui: PHET.

Dentro de suas proporções, observações semelhantes a essas foram feitas pela comunidade científica. De início, achava-se que a teoria ondulatória seria suficiente para explicar o fenômeno, usando para isso a ideia de que a onda luminosa incidente provocaria vibrações nos elétrons da superfície do metal, aumentando sua amplitude de oscilação até o ponto em que eles se liberariam do material. Sendo assim, quanto maior fosse a intensidade da luz, mais elétrons deveriam ser ejetados. Além disso, se essa teoria estivesse correta, deveria se esperar um certo tempo para que os elétrons pudessem ser ejetados, de forma que, quanto maior a intensidade da luz (luz forte), mais rápida seria a ejeção dessas partículas.

No entanto, as observações não corresponderam as expectativas. Foi constatado que, mesmo para intensidades luminosas baixas (luz fraca), os elétrons eram ejetados de forma imediata, após a luz ser ligada. Além desse fato, outras análises fizeram notar que a teoria clássica era insuficiente para o entendimento do processo. Destacam-se as seguintes:

1) Quanto maior a frequência luminosa, ou seja, quanto mais próximo do violeta, maior era a constatação do fenômeno.

2) A emissão da luz estava relacionada a uma frequência mínima (uma cor específica) que dependia de cada material atingido pela luz. Essa frequência poderia alterar a velocidade de ejeção dos elétrons. Ver Animação 18.

3) Depois de atingida a frequência mínima, também chamada de frequência de corte, existia uma proporcionalidade entre a taxa de ejeção dos elétrons e a intensidade da luz. Ver Animação 19.

Os novos fatos causaram embaraço, uma vez que não confirmavam a explicação ondulatória.

Diante desse contexto, uma proposta explicativa para esse efeito foi feito por Albert Einstein em 1905. Esse notável cientista, mundialmente conhecido pelas suas teorias da relatividade especial e geral, respondeu o problema fazendo uso da teoria da radiação de Max Planck. Para este, a energia na matéria é quantizada, emitida em porções discretas, individualmente chamadas de quantum, em outras palavras, a energia seria emitida em pequenos “pacotes” de energia. Einstein, ao seu turno, utilizou dessas ideias, mas diferentemente de Planck, também atribuiu propriedades quânticas à luz. Para Einstein, a luz incidiria de forma quantizada, como pacotes de energia, os quanta de luz. Estes quantas, seriam considerados corpúsculos (partículas), posteriormente denominados de fótons pelo físico-químico americano GilbertN. Lewis (1875 – 1946).

Observe na animação a seguir, como seria a atuação dos fótons no efeito fotoelétrico:

Animação 20: Ação do fóton no efeito fotoelétrico.

Fonte: Próprio autor.

Em sua explicação, Einstein considerou que cada fóton era capaz de ejetar apenas um elétron. Este, absorveria o corpúsculo de luz completamente e de forma imediata, sem atraso em que pudesse haver acúmulo de energia absorvida. Daí a observação de que quanto mais intenso o feixe de luz, maior a quantidade de elétrons ejetados. Isso se deveria ao fato de que uma maior quantidade de fótons estaria sendo emitida. Ver Animação 19.

A teoria de Einstein se tornou melhor aceita após a comprovação experimental feita por Robert Millikan e, além de render o Prêmio Nobel a Einstein, a explicação do efeito fotoelétrico reintroduziu as ideias corpusculares sobre a luz.

Na atualidade, considera-se que o fóton seja uma partícula de massa nula classificada entre os corpúsculos denominados Bósons, com spin igual a um, porém “o conceito de quantum de luz, ou fóton, é muito mais sutil e misterioso do que Einstein imaginava. Na verdade, até hoje não é compreendido perfeitamente” (HALLIDAY, RESNICK, WALKER, 2016).

Atividade 7

1) Defina:

a) frequência luminosa.

b) intensidade luminosa.

2) Sobre o efeito fotoelétrico, responda:

a) qual a relação entre a frequência luminosa e os elétrons ejetados?

b) qual a relação entre a intensidade luminosa e a ejeção de elétrons?

3) Por que a teoria ondulatória clássica da luz não é capaz de explicar o efeito fotoelétrico?

4) De que forma Einstein explicou este efeito?

5) O que são fótons? Faça uma pesquisa mais detalhada sobre o assunto.

6) Diante das postagens vista até então, como você define a luz?

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Referências

1 Sensível à luz.

2 Aparelho cuja finalidade é medir correntes elétricas.

3 Pequeno frasco.

4 HALLIDAY, David. RESNICK, Robert. WALKER, Jearl. Fundamentos de física: óptica e física moderna. v. 4, 10. ed. - Rio de Janeiro: LTC, 2016.