Transcript o efeito fotoelétrico e uma nova visão para a luz

Heinrich Rudolf HERTZ
Hertz foi o físico alemão que
demonstrou
a
existência
da radiação eletromagnética,
através
da
criação
de
equipamentos que emitiam e
detectavam ondas de rádio.
(1857-1894)
Em 1887, Hertz desenvolvia experimentos sobre
ondas eletromagnéticas (como a luz, por exemplo) e
constatou que o brilho de algumas faíscas melhorava o
desempenho de um detector.
Investigando, concluiu que a luz emitida
modificava algo no terminal negativo do equipamento
experimental, feito de bronze. Assim foi concebido o
efeito fotoelétrico.
O efeito fotoelétrico (do grego: foto = luz) ocorre
quando um feixe de luz incide sobre uma superfície
metálica e consequentemente ejeta elétrons dela, sendo
estes chamados de fotoelétrons.
Philipp Eduard Anton von LENARD
Com a morte prematura
de Hertz, o físico húngaro
Lenard, seu auxiliar, prossegue
suas pesquisas
(1862 – 1947)
Lenard utilizava dispositivos experimentais feitos
com placas de diferentes metais polidos colocados
dentro de ampolas de vidro, não havendo ar em seu
interior.
A
+
V
+
Mesmo após a identificação do Efeito Fotoelétrico
ainda havia muitas dúvidas a serem investigadas, afinal
de contas, por que a luz conseguiria ejetar elétrons de
alguns metais?
Para Lenard, havia dois problemas precisando de
solução...
1º) A existência de um limiar de frequência
Alguns tipos de luzes conseguiam emitir elétrons e
outros não.
Os fotoelétrons só eram emitidos para frequências
acima de determinado valor, conhecido como limiar de
frequência.
A Frequência de uma onda pode ser explicada
em termos de seu comprimento de onda. O
comprimento de onda (l) é a distância que a onda
percorre para realizar uma oscilação completa.
l
l
l
Já a frequência (n) é definida como o número
de oscilações que uma onda consegue completar em
1 segundo.
Matematicamente, ambas se relacionam por:
n=v/l
onda.
Onde v é a velocidade de propagação da
2º) A inexistência do tempo de retardamento
Se a luz incidente não tivesse energia suficiente
para emitir o elétron, a superfície metálica absorveria
energia até que acumulasse o suficiente para ejetá-lo.
Este tempo de absorção de energia é o tempo
de retardamento, porém ele não é observado.
Max Karl Ernest Ludwig PLANCK
Em 1900, Planck,
importante físico alemão,
propôs uma nova concepção que causaria mudanças profundas na Física.
(1858 - 1947)
Na época, já se sabia que os corpos emitiam
energia através de ondas eletromagnéticas (chamada
energia radiante), mas não se sabia de que forma.
Planck propôs que essa energia emitida era
quantizada em um corpo.
Isso significa que ela poderia possuir apenas valores
múltiplos de uma quantidade elementar de energia,
chamada por Planck de quantum.
Adotando a ideia de quantum, Planck não só
resolveu o problema da emissão da energia radiante
como forneceu um princípio à Física que causaria uma
enorme revolução.
A energia radiante seria emitida pelos corpos
através de quanta, que podem ser interpretados como
“pacotes” de energia.
Segundo Planck, a energia de cada quantum
depende da frequência da radiação com a qual ele foi
emitido.
A energia total liberada é proporcional ao
número de quanta emitidos.
Matematicamente,
representada por:
a
energia
emitida
foi
E = n.h.n
Onde E é a energia total emitida, n sua
frequência e n (n = 0, 1, 2, 3, ...) o número de quanta. h
é conhecida como Constante de Planck.
ENERGIA CONTÍNUA
ENERGIA QUANTIZADA
E=0
E = 1.h.v
E = 2.h.v
E = 3.h.v
E = 4.h.v
...
Os estudos de Planck permitiram a explicação da
existência do limiar de frequencia.
A energia da radiação eletromagnética é
diretamente proporcional à frequência. Dessa forma,
luzes com baixas frequências possuem menor energia,
assim não emitem fotoelétrons em muitos casos, ao
contrário do que ocorre com luzes com altas frequências.
O efeito fotoelétrico torna-se mais evidente com
radiação violeta ou ultravioleta, que possuem maiores
frequências,
como
observado
no
espectro
eletromagnético.
Mesmo após esses avanços, ainda havia uma
incógnita: o tempo de retardamento.
Ainda que a luz com baixas frequências não
ejetasse elétrons imediatamente, o metal conseguiria
acumular energia para posteriormente ejetá-los, algo
aceitável para uma onda eletromagnética, mas que
não acontecia.
Com isso veio uma grande dúvida: ou a teoria
ondulatória da luz estava errada ou a propagação
eletromagnética não era um fenômeno ondulatório.
A nova incerteza acerca da natureza da luz
durou cerca de cinco anos, sendo construída uma
nova solução em 1905.
Albert EINSTEIN
Em 1905, Einstein
inspirou-se em Planck
para buscar uma nova
explicação
para
a
natureza da luz.
(1879 - 1955)
Einstein, baseado na ideia de Planck, adotou a
hipótese de que a energia não está localizada em quanta
apenas quando é emitida por um corpo, mas que também
possui a mesma característica quando está dispersa pelo
espaço.
ENERGIA ESPALHADA PELO ESPAÇO
ENERGIA CONCENTRADA EM PACOTES
Nesse caso a luz, enquanto onda eletromagnética,
também estaria reunida nesses pacotes, chamados por
Einstein de corpúsculos de luz, sendo posteriormente
batizados como fótons.
Cada fóton possui uma energia associada a si, ou
seja, segundo Einstein, adequando os resultados de
Planck, a energia de um fóton é:
E = h.n
A partir desse instante, a luz passou a ser
interpretada como um conjunto de partículas, ou seja,
passou a existir um caráter corpuscular para a luz.
No efeito fotoelétrico, um fóton penetra em uma
superfície metálica e transfere para um único elétron
toda sua energia.
Se essa energia for suficiente, o elétron
abandona o metal imediatamente, caso contrário,
permanecerá preso a ele.
Dessa maneira, a interpetação da luz como
fóton explica a ausência do tempo de retardamento.
A comprovação experimental para o efeito
fotoelétrico só foi obtida em 1916, pelo físico
estadunidense Robert Millikan (1868-1953), que que se
dedidou a esta pesquisa desde 1906.
Então, o que é a
LUZ
?
Embora o efeito fotoelétrico só tenha sido
completamente explicado a partir da adoção do
fóton (luz enquanto partícula), há outros fenômenos
que são perfeitamente explicados somente pelo seu
caráter ondulatório (luz enquanto onda), como a
difração e a interferência.
Dessa forma, não podemos dizer que a luz é
apenas uma onda ou apenas uma partícula, já que
ela pode apresentar ambos os comportamentos.
Por esse motivo, é possível dizer que na luz há
uma dualidade onda-partícula.
A luz apresenta apenas uma característica por
vez, ou seja, ou se manifesta como onda ou se
manifesta como partícula.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
CARUSO, F.; OGURI, V. (2006). Física Moderna – Origens
Clássicas e Fundamentos Quânticos. Campus. Rio de
Janeiro.
EISBERG, R.; RESNICK, R. (1979). Física Quântica. Campus.
Rio de Janeiro.
GASPAR, A. (2003). Física - Mecânica, v.1.Ática. São Paulo.
HEWITT, P.G. (2002). Física Conceitual. Artmed. Porto
Alegre, 2002.
CRÉDITOS DAS IMAGENS E ANIMAÇÕES
A seguir estão relacioadas as fontes das imagens e
animações e os slides nos quais foram utilizadas.
•
Autor: slides 07, 07, 10, 20, 21, 24 e 33.
•
Tirinhas de Física: slides 42, 43 e 47.
•
Wikipedia: slides 03, 06, 11, 14, 22, 30, 31, 32 e 46.