Efeito fotoelétrico: Definição, Equação e Experiência

Tudo o que foi aprendido na física clássica foi revirado à medida que os físicos exploravam reinos cada vez menores e descobriam os efeitos quânticos. Entre as primeiras dessas descobertas estava o efeito fotoelétrico. No início dos anos 1900, os resultados desse efeito não correspondiam às previsões clássicas e só eram explicáveis ​​com a teoria quântica, abrindo um mundo totalmente novo para os físicos.

Hoje, o efeito fotoelétrico também tem muitas aplicações práticas. De imagens médicas à produção de energia limpa, a descoberta e a aplicação desse efeito agora têm implicações que vão muito além da simples compreensão da ciência.

Quando a luz, ou radiação eletromagnética, atinge um material como uma superfície de metal, esse material às vezes emite elétrons, chamadosfotoelétrons. Isso ocorre essencialmente porque os átomos do material estão absorvendo a radiação como energia. Os elétrons nos átomos absorvem a radiação saltando para níveis de energia mais elevados. Se a energia absorvida for alta o suficiente, os elétrons deixam totalmente seu átomo de origem.

Este processo às vezes também é chamadofotoemissãoporque os fótons incidentes (outro nome para partículas de luz) são a causa direta da emissão de elétrons. Como os elétrons têm carga negativa, a placa de metal da qual foram emitidos fica ionizada.

O que havia de mais especial no efeito fotoelétrico, entretanto, era que ele não seguia as previsões clássicas. A forma como os elétrons foram emitidos, o número que foram emitidos e como isso mudou com a intensidade da luz, tudo deixou os cientistas coçando a cabeça inicialmente.

As previsões originais quanto aos resultados do efeito fotoelétrico feitas a partir da física clássica incluíam o seguinte:

1. Transferências de energia da radiação incidente para os elétrons. Foi assumido que qualquer energia incidente sobre o material seria diretamente absorvida pelos elétrons nos átomos, independentemente do comprimento de onda. Isso faz sentido no paradigma da mecânica clássica: o que quer que você despeje no balde, o enche nessa quantidade.
2. Mudanças na intensidade da luz devem produzir mudanças na energia cinética dos elétrons. Se for assumido que os elétrons estão absorvendo qualquer radiação que incida sobre eles, então mais da mesma radiação deve dar a eles mais energia de acordo. Depois que os elétrons saem dos limites de seus átomos, essa energia é vista na forma de energia cinética.
3. A luz de intensidade muito baixa deve produzir um intervalo de tempo entre a absorção da luz e a emissão de elétrons. Isso aconteceria porque foi assumido que os elétrons devem ganhar energia suficiente para deixar seu átomo de origem, e a luz de baixa intensidade é como adicionar energia ao seu “balde” de energia mais lentamente. Leva mais tempo para encher e, portanto, deve demorar mais antes que os elétrons tenham energia suficiente para serem emitidos.

Os resultados reais não foram consistentes com as previsões. Isso incluiu o seguinte:

1. Os elétrons foram liberados apenas quando a luz incidente atingiu ou ultrapassou um limite de frequência. Nenhuma emissão ocorreu abaixo dessa frequência. Não importava se a intensidade era alta ou baixa. Por alguma razão, a frequência, ou comprimento de onda da própria luz, era muito mais importante.
2. Mudanças na intensidade não produziram mudanças na energia cinética dos elétrons. Eles mudaram apenas o número de elétrons emitidos. Uma vez que a frequência de limiar foi atingida, aumentar a intensidade não adicionou mais energia a cada elétron emitido. Em vez disso, todos eles acabaram com a mesma energia cinética; havia apenas mais deles.
3. Não houve intervalo de tempo em baixas intensidades. Parecia não haver tempo necessário para “encher o balde de energia” de qualquer elétron. Se um elétron era para ser emitido, ele foi emitido imediatamente. A intensidade mais baixa não teve efeito sobre a energia cinética ou o tempo de latência; simplesmente resultou na emissão de menos elétrons.

A única maneira de explicar esse fenômeno era invocar a mecânica quântica. Pense em um feixe de luz não como uma onda, mas como um conjunto de pacotes de ondas discretos chamados fótons. Todos os fótons têm valores de energia distintos que correspondem à frequência e ao comprimento de onda da luz, conforme explicado pela dualidade onda-partícula.

Além disso, considere que os elétrons só são capazes de pular entre estados de energia discretos. Eles só podem ter valores de energia específicos, mas nunca quaisquer valores intermediários. Agora, os fenômenos observados podem ser explicados da seguinte forma:

1. Os elétrons são liberados apenas quando absorvem valores de energia suficiente específicos. Qualquer elétron que obtiver o pacote de energia correto (energia do fóton) será liberado. Nenhum é liberado se a frequência da luz incidente for muito baixa, independentemente da intensidade, porque nenhum dos pacotes de energia é individualmente grande o suficiente.
2. Uma vez que o limite de frequência é excedido, aumentar a intensidade apenas aumenta o número de elétrons liberado e não a energia dos próprios elétrons porque cada elétron emitido absorve um discreto fóton. Maior intensidade significa mais fótons e, portanto, mais fotoelétrons.
3. Não há retardo de tempo, mesmo em baixa intensidade, desde que a frequência seja alta o suficiente, porque assim que um elétron obtém o pacote de energia correto, ele é liberado. Baixa intensidade apenas resulta em menos elétrons.

Um conceito importante relacionado ao efeito fotoelétrico é a função trabalho. Também conhecida como energia de ligação de elétrons, é a energia mínima necessária para remover um elétron de um sólido.

A fórmula para a função de trabalho é dada por:

Onde-eé a carga do elétron,ϕé o potencial eletrostático no vácuo próximo à superfície eEé o nível de Fermi dos elétrons no material.

O potencial eletrostático é medido em volts e é uma medida da energia potencial elétrica por unidade de carga. Daí o primeiro termo na expressão,-eϕ, é a energia potencial elétrica de um elétron próximo à superfície do material.

O nível de Fermi pode ser considerado a energia do elétron mais externo quando o átomo está em seu estado fundamental.

Intimamente relacionada à função de trabalho está a frequência limite. Esta é a frequência mínima na qual os fótons incidentes causarão a emissão de elétrons. A frequência está diretamente relacionada à energia (frequência mais alta corresponde a energia mais alta), daí porque uma frequência mínima deve ser alcançada.

Acima da frequência limite, a energia cinética dos elétrons depende da frequência e não da intensidade da luz. Basicamente, a energia de um único fóton será transferida inteiramente para um único elétron. Uma certa quantidade dessa energia é usada para ejetar o elétron, e o restante é sua energia cinética. Novamente, uma intensidade maior significa apenas que mais elétrons serão emitidos, não que aqueles emitidos terão mais energia.

A energia cinética máxima dos elétrons emitidos pode ser encontrada através da seguinte equação:

OndeK_maxé a energia cinética máxima do fotoelétron,hé a constante de Planck = 6,62607004 × 10^-34 m²kg / s,fé a frequência da luz ef₀é a frequência limite.

Você pode pensar na descoberta do efeito fotoelétrico ocorrendo em dois estágios. Primeiro, a descoberta da emissão de fotoelétrons de certos materiais como resultado da luz incidente e, segundo, a determinação que este efeito não obedece a física clássica de forma alguma, o que levou a muitos fundamentos importantes de nossa compreensão do quantum mecânica.

Heinrich Hertz observou o efeito fotoelétrico pela primeira vez em 1887, enquanto realizava experimentos com um gerador de centelha. A configuração envolveu dois pares de esferas de metal. As faíscas geradas entre o primeiro conjunto de esferas induziriam as faíscas a saltar entre o segundo conjunto, agindo assim como transdutor e receptor. Hertz foi capaz de aumentar a sensibilidade da configuração iluminando-a. Anos depois, J.J. Thompson descobriu que o aumento da sensibilidade resultava da luz que fazia com que os elétrons fossem ejetados.

Enquanto o assistente de Hertz, Phillip Lenard, determinou que a intensidade não afetava a energia cinética dos fotoelétrons, foi Robert Millikan quem descobriu a frequência limite. Mais tarde, Einstein conseguiu explicar o estranho fenômeno assumindo a quantização da energia.

Albert Einstein recebeu o Prêmio Nobel em 1921 por sua descoberta da lei da fotoelétrica efeito, e Millikan ganhou o Prêmio Nobel em 1923 também por trabalhos relacionados à compreensão da fotoelétrica efeito.

O efeito fotoelétrico tem muitos usos. Uma delas é que permite aos cientistas sondar os níveis de energia do elétron na matéria, determinando a frequência limite na qual a luz incidente causa emissão. Tubos fotomultiplicadores que fazem uso desse efeito também eram usados ​​em câmeras de televisão mais antigas.

Uma aplicação muito útil do efeito fotoelétrico é na construção de painéis solares. Os painéis solares são matrizes de células fotovoltaicas, que são células que utilizam elétrons ejetados de metais pela radiação solar para gerar corrente. Em 2018, quase 3 por cento da energia mundial é gerada por painéis solares, mas este número é deverá crescer consideravelmente nos próximos anos, especialmente porque a eficiência de tais painéis aumenta.

Mas o mais importante de tudo, a descoberta e a compreensão do efeito fotoelétrico estabeleceram as bases para o campo da mecânica quântica e uma melhor compreensão da natureza da luz.

Existem muitos experimentos que podem ser realizados em um laboratório introdutório à física para demonstrar o efeito fotoelétrico. Alguns deles são mais complicados do que outros.

Um experimento simples demonstra o efeito fotoelétrico com um eletroscópio e uma lâmpada UV-C fornecendo luz ultravioleta. Coloque carga negativa no eletroscópio para que a agulha se desvie. Em seguida, acenda a lâmpada UV-C. A luz da lâmpada liberará elétrons do eletroscópio e os descarregará. Você pode dizer que isso acontece vendo a redução da deflexão da agulha. Observe, no entanto, que se você tentasse o mesmo experimento com um eletroscópio carregado positivamente, não funcionaria.

Existem muitas outras maneiras possíveis de experimentar o efeito fotoelétrico. Várias configurações envolvem uma fotocélula que consiste em um grande ânodo que, ao ser atingido pela luz incidente, libera elétrons que são captados por um cátodo. Se esta configuração estiver conectada a um voltímetro, por exemplo, o efeito fotoelétrico ficará aparente quando o brilho da luz criar uma tensão.

Configurações mais complexas permitem medições mais precisas e até mesmo permitem que você determine a função de trabalho e as frequências de limiar para diferentes materiais. Consulte a seção Recursos para obter os links.