Roteiro Efeito Fotoelétrico

Efeito Fotoelétrico

Objetivo: Observar através da interação com um simulador o efeito fotoelétrico.904518

Material Utilizado: Simulador disponível no site do PhET – Interactive Simulations.

Introdução Teórica

Em meados de 1887, Hertz fez  uma série de experiências que confirmaram a teoria de Maxwell e consolidaram o modelo ondulatório para a luz. Ao realizar esses experimetos, ele observou um outro efeito: era muito mais fácil obter centelhas entre duas esferas de metal quando uma delas era iluminada por luz ultravioleta. Em 1889, Thomson explicou esse efeito, postulando que o efeito fotoelétrico consistia na emissão de elétrons.

O efeito fotoelétrico foi influenciado na ideia da quantização da energia sugerido por Planck, por volta de 1900, para explicar o espectro de radiação de corpo negro. Em 1905,  Albert Einstein, ao retomar a essa hipótese de Planck, ele mostrou que a análise seria mais lógica quando se admitia que a radiação, mesmo após abandonar o corpo, se comportava como se fosse composta por “pacotes”, que ele chamou de quantum (palavra de origem latina cujo plural é quanta). Por sugestão do físico-químico americano Gilbert Newton Lewis, cada quantum foi denominado de fóton.

Aparentemente o efeito fotoelétrico possui uma explicação simples. A onda eletromagnética transfere energia ao elétron, uma parte é usada para realizar o trabalho de “arrancar” o elétron e o restante é transformado em energia cinética do elétron. Porém, os resultados experimentais são diferentes do que a Física Clássica propõem.

A teoria clássica previa que o Efeito Fotoelétrico ocorreria para qualquer frequência da luz, desde que a energia da onda eletromagnética fosse suficientemente intensa para que os elétrons pudessem ser emitidos da superfície. No entanto, a experiência mostra que, para cada metal, o efeito só é obtido quando a frequência é igual ou maior a valor chamado de frequência de corte (. Ainda, se a intensidade da luz fosse bastante fraca, a ejeção de elétrons deveria demorar um pouco, até que eles armazenassem a energia necessária para saírem do metal. Porém, o que se observa é que, entre o momento em que a radiação atinge o metal e o momento em que o elétron escapa, o tempo é extremamente curto (3 nano segundos), praticamente imediato. A Física Clássica previa que se a intensidade da radiação fosse aumentada, a energia fornecida aos elétrons também aumentaria e consequentemente eles seriam ejetados com velocidades maiores. Porém, a intensidade não influi na energia cinética adquirida por cada elétron, e sim, influi no número de elétrons arrancados dos átomos. Segundo Einstein a radiação é fornecida por quanta (fótons), e cada único fóton é absorvido por cada  único elétron. Se a energia do fóton for menor do que a necessária para arrancar o elétron, ele não será emitido, mesmo que aumente a intensidade da radiação ou deixe que fique incidindo por mais tempo.[pic 1]

A energia do fóton é dada por:

[pic 2]

Sendo  a energia do fóton,  a energia cinética adquirida pelo elétron e  o trabalho necessário para arrancar o elétron, temos :[pic 3][pic 4][pic 5]

 [pic 6]

O trabalho ( realizado para arrancar o elétron vai depender da profundidade do elétron.Quanto maior o trabalho necessário para arrancar o elétron, menor será sua energia cinética. O trabalho mínimo para arrancar um elétron é chamado de função trabalho e será representado por . Então, a energia cinética será máxima em :[pic 7][pic 8]

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