Albert Einstein

Explicação do Efeito Fotoelétrico

           Explicação do Efeito Fotoelétrico

Em 1900, o físico teórico alemão Max Planck tentava explicar por que a luz de frequências mais altas só é emitida por objetos em altas temperaturas. Por que, por exemplo, o filamento avermelhado de uma lâmpada não emite luz violeta? Os modelos clássicos para os corpos radiantes previam que a maior parte da energia irradiada pelos objetos deveria ocorrer nas altas frequências. O fato de que estas frequências não apareciam na emissão era então chamado “catástrofe do ultravioleta” e requeria um novo modelo de como a matéria irradia. Planck supôs que os objetos quentes emitissem energia radiante (luz) em “pacotes” individuais. Planck denominou cada um deles de quantum (plural quanta). De acordo com Planck, a energia de cada quantum é proporcional à frequência da radiação. Assim, uma quantidade maior de energia está associada ao quantum de luz violeta do que ao de luz vermelha. Assim, um objeto vermelho incandescente não deverá emitir quanta de luz violeta com altas energias até que sua temperatura seja muito alta.

Portas que se abrem sozinhas?

Já se perguntou como ocorre o funcionamento das portas de shoppings que se abrem sozinhas? Como um sistema de iluminação pode acender e apagar sozinho? Ou mesmo como sistemas de alarme ligam e desligam automaticamente? Perguntas como essas são respondidas e explicadas através do efeito fotoelétrico. Mas o que vem a ser efeito fotoelétrico?

Efeito Fotoelétrico é a emissão de elétrons de um material, geralmente metálico, quando ele é submetido à radiação eletromagnética. Ela tem larga aplicação no cotidiano como, por exemplo, a contagem do número de pessoas que passam por um determinado local, como também na aplicação dos exemplos dados anteriormente. A aplicação desse efeito acontece através das células fotoelétricas ou fotocélulas, as quais podem ser de vários tipos como, por exemplo, a célula fotoemissiva e a célula fotocondutiva.

Mas o que vem a ser célula fotoelétrica? São dispositivos que têm a capacidade de transformar energia luminosa, seja ela proveniente do Sol ou de qualquer outra fonte, em energia elétrica. Essa célula pode funcionar como geradora de energia elétrica ou mesmo como sensor capaz de medir a intensidade luminosa, como nos casos das portas de shoppings.

Existem vários tipos de células fotoelétricas, dentre as quais podemos citar algumas que têm larga utilização atualmente, como: Silício Cristalino, Silício Amorfo, CIGS, Arseneto de Gálio e Telureto de Cádmio. Essas células são aplicadas tanto em painéis solares como também em monitores de LCD e de plasma.

Simulador de efeito fotoeletrico

Como funciona

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Os Cientistas

Caixa que continha experiências do efeito fotoelétrico:

Revista Os Cientistas

A descoberta do Efeito Fotoelétrico

Como toda descoberta, esta também se deu por acaso quando Heinrich Hertz, em 1887, investigava a natureza eletromagnética da luz. Estudando a produção de descargas elétricas entre duas superfícies de metal em potenciais diferentes, ele observou que uma faísca proveniente de uma superfície gerava uma faísca secundária na outra. Como esta era difícil de ser visualizada, Hertz construiu uma proteção sobre o sistema para evitar a dispersão da luz. No entanto, isto causou uma diminuição da faísca secundária. Na seqüência dos seus experimentos ele constatou que o fenômeno não era de natureza eletrostática, pois não havia diferença se a proteção era feita de material condutor ou isolante. Após uma série de experimentos, Hertz, confirmou o seu palpite de que a luz poderia gerar faíscas. Também chegou à conclusão que o fenômeno deveria ser devido apenas à luz ultravioleta.Em 1888, estimulado pelo trabalho de Hertz, Wilhelm Hallwachs mostrou que corpos metálicos irradiados com luz ultravioleta adquiriam carga positiva. Para explicar o fenômeno, Lenard e Wolf publicaram um artigo na Annalen der Physik, sugerindo que a luz ultravioleta faria com que partículas do metal deixassem a superfície do mesmo.Dois anos após a descoberta de Hertz, Thomson postulou que o efeito fotoelétrico consistia na emissão de elétrons. Para prová-lo, demonstrou experimentalmente que o valor de e/m das partículas emitidas no efeito fotoelétrico era o mesmo que para os elétrons associados aos raios catódicos. Também concluiu que esta carga é da mesma ordem que a carga adquirida pelo átomo de hidrogênio na eletrólise de soluções. O valor de e encontrado por ele (6,8 x 10^-10esu) encontra-se muito perto do aceito atualmente ( 4,77 x 10^-10 esu ou 1,60x10^-19 C).  O feixe de luz arranca elétrons da placa metálica. Estes elétrons formam uma corrente, que pode ser detectada por um amperímetro. A corrente diminui se colocarmos uma baterial com o terminal negativo ligado na placa coletora. Mais adiante veremos como Einstein usou este fato para escrever uma equação e ganhar o Prêmio Nobel!Em 1903, Lenard provou que a energia dos elétrons emitidos não apresentava a menor dependência da intensidade da luz. Em 1904, Schweidler mostrou que a energia do elétron era proporcional à freqüência da luz.

Relação de Planck

Dada uma placa metálica, num determinado instante faz-se incidir um feixe de luz:

Observa-se que a incidência do feixe de luz na placa faz com que ela emita uma chuva de elétrons. Tal fato é denominado de efeito fotoelétrico.

A chuva de elétrons emitida pela placa depende da intensidade de luz que atinge. Quanto mais intensa for a luz, maior será o número de elétrons emitidos pela placa.

Se a luz apresentasse um comportamento ondulatório, o número de elétrons emitidos pela placa seria constante, independentemente da sua intensidade. Portanto, esta é uma evidência do comportamento da luz como partícula, ou seja, quanto mais intensa ela for, maior será o número de partículas que atingem o metal e, conseqüentemente, maior será o número de elétrons liberados.

A energia determinada pela relação de Planck, ou seja, a energia de um fóton incidente é empregada para realizar o trabalho de arrancar um elétron do átomo e fornecer-lhe uma determinada energia cinética. Ela pode ser determinada pela relação de Planck.

Uma observação importante é que os raios infravermelhos, que são ondas eletromagnéticas que transportam calor, não arrancam elétrons das placas metálicas e a luz violeta arranca com certa facilidade. Isto porque, na relação de Planck, a energia de um fóton é diretamente proporcional à sua freqüência. A luz ultravioleta possui maior freqüência do que os raios infravermelhos, portanto um fóton dela possui mais energia.

RELAÇÃO DE PLANCK

E = h . f

onde:
E: energia existente em um quantum de luz;
f: freqüência da luz;
h: constante de Planck (h= 6,63.10^-34 J.s).