O efeito Fotoelétrico

Física: Conceito e história — Por em abril 16, 2011 as 16:20

Um dos grandes problemas da física clássica no final do século 19 era explicar o que acontecia quando se incidia um feixe de luz em uma chapa metálica. Vale lembrar que nesta época ainda não existia a mecânica quântica, a teoria do muito pequeno na física. Para se explicar os fenômenos envolvendo átomos e outras partículas pequenas, desenvolveu-se a mecânica estatística, uma forma de tratar tais problemas de maneira clássica, fazendo uso da mecânica clássica.

O fenômeno, chamado efeito fotoelétrico, relaciona retirar um elétron da camada mais externa de um metal fazendo uso de um feixe de luz. Na época, a luz ainda era entendida como uma onda eletromagnética, e tinha-se que quanto maior a intensidade da luz, maior a quantidade de energia ela transportava. Utilizando a mecânica clássica da época, o resultado era que independente da freqüência da luz, sempre que se incidia luz sobre um metal, era possível aumentar a intensidade do feixe de modo a arrancar elétrons do material. Era possível medir a energia dos elétrons arrancados através de um voltímetro.

Entretanto, não era isso que o experimento mostrava. Quando se incidia um feixe de luz monocromática (freqüência única) sobre uma chapa metálica, o elétron poderia ou não ser arrancado do metal. Se fosse, tal elétron teria uma energia definida, e o fato de aumentar a intensidade da luz não resultava em arrancar elétrons com diferentes energias, mas sim apenas uma quantidade maior de elétrons com a mesma energia de antes. Caso o elétron não fosse arrancado pela incidência da luz, aumentar a intensidade da luz também não resultava em passar a arrancar elétrons do metal. Além disso, se a freqüência da luz incidente fosse variada de maneira decrescente, para um dado metal existia sempre uma freqüência, chamada freqüência de corte, para a qual abaixo dela não se conseguia retirar elétrons do metal, independente da intensidade da luz. Desse modo, a teoria estava em pleno desacordo com o experimento.

Em 1900, Max Planck, trabalhando em outro experimento, chamando corpo negro, se defrontou com um problema similar relacionando energia. Neste caso, e como sempre foi até então, a energia era tida como contínua. Para resolver tal problema, ele postulou que a energia era discreta, ou quantizada, ou seja, E = h.f, onde h é uma constante e f a freqüência da luz em questão. Com isso, Planck conseguiu resolver seu problema e h ficou conhecida como constante de Planck, tendo um valor bem definido experimentalmente.

Voltando ao efeito fotoelétrico, temos que os elétrons da camada mais externa do metal são ligados a este por uma determinada quantidade de energia. Chamaremos esta energia de função trabalho (w), sendo que cada metal possui um valor de w. Assim, para arrancar um elétron do metal, devemos transferir para este uma energia w mais uma quantidade de energia que irá ser a energia cinética (E) do elétron, ou seja, devemos dar ao elétron uma energia U = E + w, o que resulta em uma energia cinética E = U – w, sendo U a energia da luz incidente.

Einstein, partindo de algumas idéias de Max Planck, considerou a luz incidente na chapa também quantizada, ou seja, U = h.f. Nesse novo modo de encarar o problema, a energia cinética do elétron arrancado passa a ser E = h.f – w. Isso explica totalmente o efeito fotoelétrico, além de mostrar que agora o feixe incidente não era uma onda eletromagnética, mas sim composto de vários “grãos”, denominados fótons. Obviamente que isso implica em muito mais coisas na física, mas por ora iremos nos restringir ao fato que assim o feito é completamente explicado. Nessa nova equação, a energia cedida ao elétron pela luz não depende da intensidade desta, mas apenas de sua freqüência. Além do mais, existe uma freqüência para o qual E = 0, ou seja, não se consegue arrancar elétrons do metal abaixo desta freqüência, a freqüência de corte.

Em 1918, Max Planck recebeu o prêmio Nobel de física pela descoberta dos chamados quantas de energia, a quantização da luz. Einstein, pela explicação do efeito fotoelétrico, ganhou o Nobel em 1921. O efeito fotoelétrico também é um experimento realizado no curso de física, no qual se determina o valor da principal constante da mecânica quântica, a constante de Planck, tendo um valor de 6,625×10-27 erg.seg.

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