C02 - Instituto de Física / UFRJ
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Fótons – A natureza
corpuscular da
radiação
O Efeito Fotoelétrico
Primeiras observações
H. Hertz (1886-1887)
Descarga entre eletrodos de seu
equipamento ocorriam com mais
facilidade quando se incidia luz
ultravioleta sobre o catodo.
P. Lenard (1902)
Reporta sua investigação mais
detalhada do fenômeno e conclui
que a luz ultravioleta facilita a
descarga porque causa a emissão
de elétrons da superfície do
catodo.
A ejeção de elétrons de uma
superfície metálica devido à
incidência de luz é o que
chamamos de efeito
fotoelétrico.
Diagrama da montagem experimental
Luz monocromática e de
intensidades variadas incide no
catodo C.
Fotoelétrons são ejetados de C e
acelerados por um potencial V em
direção ao anodo A.
A fotocorrente produzida pelos
fotoelétrons em A é medida no
galvanômetro/amperímetro @.
Mesmo quando V é invertido a
fotocorrente não cai de imediato a
zero. e- c/energia cinética K.
Existe entretanto um V0 mínimo
que anula a fotocorrente,
independente da intensidade da
luz incidente
Resultados de P. Lenard
Foto-corrente X Intensidadeluz
IPhoto satura p/altos valores Vacel.
Isat proporcional Intensidade da luz.
Vret só anula IPhoto p/valor V0
específico: potencial bloqueador.
V0 é independente da Intensidade !!
Potencial V0 X Energia dos elétrons
V0 é uma medida da Kmáx dos e- .
e.V0 = Kmáx (independente da
Intensidadeluz)
Potencial V0 X Luz monocromática
V0 é função linear de (= c/)
Frequência de corte 0 abaixo da
qual não ocorre E.F. !!
Teoria ondulatória da luz
Os elétrons da superfície metálica
absorvem energia do campo E
oscilante e são ejetados.
Inconsistência com os resultados
Elétrons acelerados por campos mais
intensos adquirem maior energia
cinética. Fato que não é observado.
A ocorrência do efeito deveria ocorrer
independentemente da frequência.
Bastaria que a onda tivesse
intensidade suficiente.
Lapsos de tempo significativos, entre
a incidência de luz de baixa
intensidade e a ejeção do foto-elétron,
deveriam ser observados.
A frequência de corte 0 depende do
metal do catodo.
Teoria de Einstein – Efeito fotoelétrico
Uma nova teoria para a
propagação da luz (1905).
Hipótese dos quanta de luz –
fótons
Pulsos discretos de energia:
Ef= h. → deslocando-se c/vel. luz
Mecanismo de colisão de
partículas.
Conservação de energia:
Ke = Ef - w
(w trabalho necessário para vencer as
forças atrativas do metal e perdas
cinéticas)
Kmáx= h. - w0
W 0 – função trabalho do metal
O Efeito Fotoelétrico explicado
Relação linear para V0 x
e.V0 = h. - w0
Método independente de medida da
constante de Plank (h) e da função
trabalho (w0) característica do metal.
A Kmáx não depende da
intensidade da luz, mas sim da
sua frequência!
Os fótons precisam de uma
energia mínima E0= h.0 para
poder ejetar os elétrons: h.0 = w0
O lapso de tempo não existe já
que basta haver fótons com
energia suficiente para ejetar
elétrons instantaneamente!
Einstein em seu escritório, Berlim 1920.
nobelprize.org
Resultados de Millikan (1916)
Millikan não aceitava a hipótese dos
quanta e tentou por muitos anos
provar experimentalmente que
Einstein estava errado.
Por fim, relutantemente, reconhece a
validade da teoria em seu trabalho1.
1Physical
Review,, vol VII, p. 362 (1916)
Three Nobel Laureates in Physics standing in front of the
Athenaeum at California Institute of Technology (Caltech),
1931. Front row from left: Albert A. Michelson, Albert Einstein
and Robert A. Millikan.
Efeito fotoelétrico - simulação
Obtido em: PhET Interactive Simmulations
http://phet.colorado.edu/index.php
Simulação
Fótons e a produção
de Raios-X
Radiação contínua - Bremsstrahlung
Produção de Raios-X
Tubo de Raios-X
O espectro contínuo
Elétrons produzidos no catodo (C)
são acelerados em direção ao
anodo metálico (A) por um potencial
(UA) da ordem de 10 KV.
Colisões sucessivas com átomos
do anodo (A) desaceleram os
elétrons, resultando emissão de um
espectro contínuo de radiação:
Bremsstrahlung.
Raios-X
1,0 Å (1 Å = 10-10 m)
Para determinada energia dos
elétrons : E0= e.UA (KeV) existe
um min abaixo do qual cessa a
emissão de radiação.
min só depende do valor de UA.
Raios-X – fótons de alta energia
Interpretação corpuscular
O e- ao se aproximar do átomo,
sofre desaceleração devido a
interação coulombiana.
Sua energia E1, antes da
interação, é reduzida para E2 .
O processo coletivo
No processo, cada elétron do
feixe perde quantidades
diferentes de energia (Ei) em
sucessivas colisões até parar.
Isto dá origem a fótons de
diferentes comprimentos de onda
(i), distribuidos continuamente:
i= hc/Ei
i= hc/Ei
Comprimento min
Se numa única colisão o e- perde
abruptamente toda a energia
inicial:
Emáx= E0 – 0 = e.UA
A diferença: E= (E1 – E2)
Dá origem a um fóton: E= h= E
min= hc/e.UA
(só depende de UA).