O Efeito Fotoelétrico
Autor: Jonas Floriano | Publicado: 2016-12-21T14:27:00-08:00


Neste texto continuaremos descrevendo efeitos físicos que evidenciaram o caráter quântico da natureza. Falaremos aqui sobre o chamado efeito fotoelétrico, que conferiu a Einstein o prêmio Nobel de Física em 1921.

Em 1887, Heinrich Hertz, realizando experimentos sobre a natureza eletromagnética da luz por meio de descargas elétricas em duas superfícies metálicas, observou que quando uma faísca de luz em uma superfície era emitida outra faísca era gerada na outra superfície metálica. Após uma série de outros experimentos e análises, Hertz concluiu que a luz poderia gerar faíscas em uma superfície metálica. Além disso, ele concluiu que tal emissão deveria ser devido à luz ultravioleta.




Heinrich Hertz.


Posteriormente, em 1888, Wilhelm Hallwachs mostrou que corpos irradiados com luz ultravioleta adquiriam carga elétrica positiva. Para tentar explicar este fato, Lenard e Wolf publicaram no mesmo ano um artigo sugerindo que a luz ultravioleta liberava partículas do metal. Em 1889, outro cientista, Thomson, postulou e mostrou que as partículas emitidas no já chamado efeito fotoelétrico eram elétrons. Ele realizou isso calculando a razão entre a carga e a massa das partículas emitidas.

Uma configuração possível para o experimento é o mostrada abaixo.




Ilustração experimental do efeito fotoelétrico.

Conforme luz era incidida sobre a superfície de um metal, elétrons eram liberados e percorriam um tubo de vácuo até uma placa coletora. Então, tais elétrons geram uma corrente elétrica que poderia ser medida por meio de um amperímetro instalado, como pode ser visto. O experimento foi demasiadamente estudado por Lenard e Schweidler, utilizando diferentes metais e frequências para a luz incidente. Eles concluíram os seguintes fatos:

1. A emissão de elétrons não dependia da intensidade da luz incidente.

2. Se ocorre a emissão de elétrons, então a corrente elétrica é proporcional à intensidade da luz incidente.

3. A ocorrência ou não da emissão de elétrons dependia da frequência da luz incidente.

4. Para cada metal irradiado, existia um limiar de frequência tal que abaixo dele não havia emissão de elétrons.

5. A energia cinética dos elétrons emitidos crescia com a frequência da luz incidente.

A primeira tentativa de explicar o fenômeno foi a mais natural e se baseou no fato de que a luz era uma onda eletromagnética. Esta tentativa logo falhou, principalmente porque a teoria da luz como uma onda previa que a energia era proporcional à intensidade da luz, o que de fato não concordava com as observações experimentais.

Foi então que Albert Einstein entrou na jogada e, utilizando uma explicação relativamente simples, propôs que a energia da luz incidente era transferida para os elétrons da superfície do metal na forma de pacotes, ou melhor, de forma quantizada. Einstein tinha em mente que o elétron precisava receber uma certa quantidade de energia para vencer a ligação entre ele e o metal, ou seja, as ligações elétricas e químicas com o metal. Além disso, era também conhecido que para cada tipo diferente de metal a quantidade de energia era diferente, pois as ligações entre o metal e o elétron eram distintas. Assim, Einstein sugeriu a seguinte equação para explicar o fenômeno:





Vamos tentar entender a equação acima. Nela, a letra grega nu é a frequência da luz incidente sobre o metal. A letra h é uma constante a ser determinada experimentalmente e o produto h nu é a energia que um quânta de luz (ou fóton) transporta e transfere integralmente ao elétron do metal. A letra grega phi é a energia necessária para romper as ligações do elétron com o metal e, portanto, liberar o elétron. Deste modo, a energia cinética do elétron, E, é a energia total transportada por um fóton menos a energia necessária para desprendê-lo do metal.

A equação proposta por Einstein, embora simples, foi capaz de explicar todos as observações feitas por Lenard sobre o efeito fotoelétrico. Nela, a energia cinética dos elétrons não depende da intensidade da luz. Além disso, para um elétron ser liberado e, portanto, haver corrente elétrica, a quantidade de energia h nu deve ser no mínimo igual à energia phi, ou seja, a existência de corrente depende da frequência da luz para um mesmo tipo de metal. Por outro lado, para diferentes tipos de metal, sempre existirá um mínimo valor de frequência para o qual não há mais corrente elétrica. Por fim, havendo emissão de elétrons, o aumento da intensidade da luz apenas aumenta a corrente elétrica medida, o que indica que mais elétrons são liberados do metal, mas com a mesma quantidade de energia cinética.

A teoria corpuscular de Einstein para descrever o efeito fotoelétrico foi muito testada posteriormente. No entanto, foram poucos os cientistas que lhe conferiram crédito. Um exemplo disso foi Compton, um cientista que, apesar de ter testado com sucesso a equação de Einstein por 10 anos, tendo sido ele, inclusive, o primeiro a determinar experimentalmente o valor da constante h. afirmava que a teoria corpuscular da luz era totalmente insustentável. Por ironia, foi o próprio Compton que validou a teoria corpuscular da luz, em 1922, ao afirmar, estudando outro experimento, que o comportamento da luz não poderia ser explicado por meio da teoria ondulatória. Einstein recebeu o prêmio Nobel de física pela explicação do efeito fotoelétrico em 1921.

Vocês podem assistir ao vídeo sobre o efeito fotoelétrico em nosso canal, com mais detalhes a respeito.







Referências e indicações:

Site da UFRGS:

http://www.if.ufrgs.br/tex/fis142/fismod/mod03/