Efeito fotoelétrico

O efeito fotoelétrico

O efeito fotoelétrico é a emissão de elétrões por um material, geralmente metálico, quando exposto a uma radiação eletromagnética (como a luz) de frequência suficientemente alta, que depende do material. Ele pode ser observado quando a luz incide numa placa de metal, literalmente arrancando da placa electrões.

Os electrões que giram à volta do núcleo são aí mantidos por forças de atração. Se a estes for fornecida energia suficiente, eles abandonarão as suas órbitas. O efeito fotoelétrico implica que, normalmente sobre metais, se faça incidir um feixe de radiação com energia superior à energia de remoção dos electrões do metal, provocando a sua saída das órbitas: sem energia cinética (se a energia da radiação for igual à energia de remoção) ou com energia cinética, se a energia da radiação exceder a energia de remoção do electrões.

A grande dúvida que se tinha a respeito do efeito fotoelétrico era que quando se aumentava a intensidade da luz, ao contrário do esperado, a luz não arrancava os elétrons do metal com maior energia cinética. O que acontecia era que uma maior quantidade de electrões era ejectado.

Por exemplo, a luz vermelha de baixa intensidade estimula os electrões para fora de uma peça de metal. Na visão clássica, a luz é uma onda contínua cuja energia está espalhada sobre a onda. Todavia, quando a luz fica mais intensa, mais electrões são ejetados, contradizendo, assim a visão da física clássica que sugere que os mesmos deveriam se mover mais rápido (energia cinética) do que as ondas.

Quando a luz incidente é de cor azul, essa mudança resulta em electrões muito mais rápidos. A razão é que a luz pode se comportar não apenas como espectros contínuos, mas também como feixes discretos de energia chamados de fotões. Um fotão azul, por exemplo, contém mais energia do que um fotão vermelho. Assim, o fotão azul age essencialmente como uma "bola de bilhar" com mais energia, desta forma transmitindo maior momento a um electrão. Esta interpretação corpuscular da luz também explica por que a maior intensidade aumenta o número de electrões ejetados - com mais fotões colidindo no metal, mais electrões têm probabilidade de serem atingidos.

A explicação satisfatória para esse efeito foi dada em 1905, por Albert Einstein, que em 1921, deu ao cientista alemão o prêmio Nobel de Física.

Equações

Analisando o efeito fotoelétrico quantitativamente usando o método de Einstein, as seguintes equações equivalentes são usadas:

Energia do fotão = Energia necessária para remover um electrão + Energia cinética do electrão emitido

Algebricamente:

$hf=\phi +E_{c_{max}}\,$

onde

• h é a constante de Planck,
• f é a frequência do fotão incidente,
• $\phi =hf_{0}\$ é a função trabalho, ou energia mínima exigida para remover um electrão da sua ligação atómica,
• $E_{c_{max}}={\frac {1}{2}}mv_{m}^{2}$ é a energia cinética máxima dos electrões expelidos,
• f₀ é a frequência mínima para o efeito fotoelétrico ocorrer,
• m é a massa de repouso do electrão expelido, e
• v_m é a velocidade dos electrões expelidos.

Nota: Se a energia do fotão (hf) não é maior que a função trabalho ($\phi$), nenhum electrão será emitido. A função trabalho é ocasionalmente designada por $W$.

Ver também

• Célula fotoelétrica