O Efeito Fotoelétrico

EFEITO FOTOELÉTRICO

1. OBJETIVO.

- Comparar os modelos ondulatórios e quânticos da luz.

- Determinar a razão h/e.

2. INTRODUÇÃO TEÓRICA.

O efeito fotoelétrico consiste na emissão de elétrons pela matéria sob a ação da luz.

Para se observar o efeito fotoelétrico, é conveniente utilizar um eletroscópio de folhas (fig. 1). No eletroscópio monta-se uma lâmina de zinco. Se a lâmina estiver carregada positivamente, a sua iluminação, por exemplo, com a ajuda de um arco voltaico, não influi na velocidade de descarga do eletroscópio. No entanto, se a lâmina estiver carregada negativamente, o feixe de luz do arco descarrega o eletroscópio com grande rapidez.

Este fato só pode ser explicado de uma maneira. A luz provoca a emissão de elétrons pela superfície da lâmina. Quando a lâmina está carregada negativamente, repele os elétrons e o eletroscópio descarrega-se. Quando está carregada positivamente, os elétrons emitidos sob a ação da luz são atraídos e voltam ao eletroscópio. É por esta razão que a carga do eletroscópio não varia.

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Fig. 1

 

No entanto, quando o feixe de luz é interceptado por um vidro normal, a lâmina carregada deixa de perder elétrons, independentemente da intensidade do feixe de luz. Como é conhecido que o vidro absorve os raios ultravioletas, pode concluir-se que é precisamente a parte ultravioleta do espectro que provoca o efeito fotoelétrico. Este fato, apesar de simples, não pode ser explicado com base na teoria ondulatória da luz. Não se compreende porque é que as ondas de luz de pequena freqüência não provocam a emissão de elétrons mesmo nos casos em que a amplitude da onda, e, portanto, a força com que ela atua nos elétrons, é grande.

A explicação para esse efeito surgiu como uma grande revolução na física, confirmando o caráter corpuscular da luz, podemos analisar melhor como se deu essa descoberta olhando para a história e o surgimento do efeito fotoelétrico.

A descoberta do efeito fotoelétrico se deu por acaso em 1887, quando Heinrich Hertz (1857-1894) investigava a natureza eletromagnética da luz. Estudando a produção de descargas elétricas, entre duas superfícies de metal a potenciais diferentes, ele observou que uma faísca proveniente de uma superfície gerava uma faísca secundária na outra. Como esta era difícil de ser visualizada, Hertz construiu uma proteção sobre o sistema para evitar a dispersão da luz. No entanto, isto causou uma diminuição da faísca secundária. Na seqüência dos seus experimentos, ele constatou que o fenômeno não era de natureza eletrostática, pois não havia diferença se a proteção, que possuía uma parte entre as placas, era feita de material condutor ou isolante.

Após uma série de experiências, Hertz, confirmou o seu palpite de que a luz poderia gerar faíscas. Também chegou à conclusão que “... se o fenômeno observado é de fato uma ação da luz, então é apenas da luz ultravioleta”.

Em 1888, estimulado pelo trabalho de Hertz, Wilhelm Hallwachs (1859-1922), mostrou que corpos metálicos irradiados com luz ultravioleta adquiriam carga positiva. Isto, antes da descoberta do elétron, que se deu em 1897. Para explicar o fenômeno, Philip Lenard (1862-1947) e M. Wolf publicaram um artigo na Annalen der Physik, sugerindo que a luz ultravioleta faria com que partículas do metal deixassem a superfície do mesmo.

Dois anos após a descoberta de Hertz, J.J. Thomsom (1856-1940) postulou que o efeito fotoelétrico consistia na emissão de elétrons. Para prová-lo, demonstrou experimentalmente que o valor de e/m das partículas emitidas fotoeletricamente era o mesmo para os elétrons dos raios catódicos. Também concluiu que "e é da mesma ordem que a carga adquirida pelo átomo de hidrogênio na eletrólise de soluções". O valor de e encontrado por ele (6,8 x 10-10 esu) encontra-se muito perto do aceito atualmente (4,77 x 10-10 esu).

Em 1903, Lenard estudou o efeito fotoelétrico utilizando como fonte luminosa um arco de carbono. Variando a intensidade da luz por um fator de 1000, provou que a energia dos elétrons emitidos não apresentavam "a menor dependência com a intensidade da luz".

E. von Schweidler contribuiu com um artigo em 1904, dizendo que a energia do elétron era proporcional à freqüência da luz.

A partir desse conjunto de resultados, Einstein desenvolveu em 1905, baseado no seu princípio heurístico e na idéia de Planck sobre a emissão intermitente de luz, uma teoria muito simples para explicar o efeito fotoelétrico: um quantum de luz transfere toda a sua energia a um único elétron, independentemente da existência de outros quanta de luz. Acrescentando que um elétron ejetado do interior do corpo em geral sofre uma perda de energia até atingir a superfície, Einstein propôs a seguinte equação, que relaciona a energia do elétron ejetado, a freqüência da luz incidente e a função trabalho, que é a energia necessária para escapar do metal:

E = hν - P

Em suma, esta equação permite estabelecer as seguintes conclusões:

- E varia linearmente com ν;

- a inclinação de E (ν) é uma constante universal, independente do material irradiado;

- esta constante era a constante de Planck, determinada pela lei de radiação.

O primeiro experimental a apresentar resultados realmente importantes para comprovar a equação de Einstein foi Arthur Llewellyn Hughes (1883-1978). Ele encontrou, em 1912, que a inclinação da função E (ν) variava entre 4,9x10-27 e 5,7 x 10-27 erg.s, dependendo da natureza do material irradiado.

Seus resultados foram muito criticados, até que Jeans, dois anos mais tarde, fez uma importante análise da teoria de radiação. Naquela época, as opiniões encontravam-se divididas a respeito da teoria Einsteniana. Entretanto, os experimentais foram os que mais contribuíram para a sua aceitação.

Alguns anos de trabalho na Universidade de Chicago foram necessários para que Robert Andrews Milikan (1868-1953) publicasse um extenso artigo na Physics Review em 1916, dando os resultados das suas experiências com vários metais alcalinos iluminados por luz visível proveniente de uma lâmpada de mercúrio. Ele comprovou que a equação de Einstein se ajusta muito bem aos experimentos e determinou fotoeletricamente o valor de h = 6,57x10-27 erg.s, com uma precisão de 0,5%.