Efeito fotoelétrico

O efeito fotoelétrico é um fenômeno quântico que ocorre quando frequências específicas de luz são emitidas na superfície de um material, que emite elétrons. Heinrich Hertz foi quem descobriu esse efeito, mas foi Albert Einstein e Max Planck que conseguiram explicar por que isso ocorria.

Considerando a luz emitida como pacotes de energia (fótons), ela precisa de uma frequência mínima para retirar os elétrons, algo que não depende da intensidade da luz, como acreditavam na física clássica. Assim, com a constante de Planck (h=4.10^-15 eV), foi possível determinar essa energia mínima necessária para retirar o elétron do material por meio da equação: E = h.f.

Hoje utilizamos esse fenômeno nos painéis solares (que transformam energia luminosa em térmica) e em sensores de movimentos (que detectam radiação infravermelha).

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Resumo

• O efeito fotoelétrico é um fenômeno explicado pela física quântica.

• Nesse fenômeno, ao emitir determinadas frequências de luz sobre um material, é possível ejetar elétrons dele.

• Esse efeito não depende da intensidade da luz, mas sim da frequência.

• Heinrich Hertz foi quem descobriu esse efeito, mas foi Albert Einstein quem conseguiu demonstrar a sua utilização.

• Para calcular a energia mínima de um fóton para retirar um elétron, basta utilizar a equação: E = h.f.

Videoaula sobre o efeito fotoelétrico

O que é o efeito fotoelétrico?

O efeito fotoelétrico é um fenômeno físico que ocorre quando uma frequência específica da luz incide sobre a superfície de um material e consegue transferir energia suficiente para fazer os elétrons saltarem para fora do átomo, gerando uma corrente elétrica.

O nome desse efeito deve-se às duas principais partículas que atuam nele: o fóton, a partícula de luz, e o elétron, carga negativa que está localizada na eletrosfera dos átomos.

Quem inventou o efeito fotoelétrico?

Heinrich Hertz (1857-1894) demonstrou a existência das ondas eletromagnéticas com experimentos, em 1886, produzindo descargas entre eletrodos. Ele percebeu que, dependendo da frequência de luz (ultravioleta), a descarga ficava mais intensa e produzia faíscas, descobrindo, assim, o efeito fotoelétrico.

Na época, um grande problema que havia era a catástrofe do ultravioleta, estudada por Max Planck (1858-1947), que previa que um corpo em equilíbrio térmico (corpo negro) emitiria energia infinita — fato que não ocorria e a mecânica clássica não conseguia explicar.

Embora Hertz tenha descoberto o efeito, foi Albert Einstein (1879-1955) que demonstrou a teoria por trás do efeito. O problema era que a quantidade de elétrons ejetados não dependia da intensidade de radiação emitida, e sim da frequência.

Einstein admitiu que a luz era quantizada (transfere sua energia em quantidades definidas — não pode ser um número decimal, apenas números inteiros, proporcionais à sua frequência) e que um fóton (partícula de luz) que possuísse a energia necessária para ejetar o elétron conseguiria fazer esse efeito. Assim, ele ganhou o Prêmio Nobel de Física junto com Max Planck por conta dessa descoberta.

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Características do efeito fotoelétrico

O efeito fotoelétrico não pôde ser explicado pela teoria ondulatória clássica (mecânica clássica). Por isso, surgiu um novo ramo da física, conhecido como física quântica, para estudá-lo.

Para que ocorra o efeito fotoelétrico, é necessário emitir uma frequência mínima de radiação eletromagnética (luz), conhecida como frequência de corte. Isso mostra que, para conseguir ejetar um elétron de um átomo, a luz emitida na superfície do material deve ter uma variação na frequência, e não na intensidade. Essa frequência depende do material de que é feita a superfície.

Por trabalharmos com partículas que se movem a velocidades extremamente altas (na velocidade da luz), temos que o efeito fotoelétrico ocorre instantaneamente.

Como ocorre o efeito fotoelétrico?

O efeito fotoelétrico ocorre quando incidimos uma determinada frequência de radiação eletromagnética na superfície de um material e, a partir disso, elétrons são emitidos. Essa radiação é chamada de fóton e transfere energia para os elétrons.

Se essa quantidade de energia for maior do que a energia de corte (energia mínima necessária para arrancar os elétrons), os elétrons serão arrancados da superfície do material.

Essa energia do fóton depende de uma frequência mínima e, junto com a constante de Planck (h), medida em elétrons-volts (eV), conseguimos montar uma equação para achar a energia mínima, chamada de função trabalho, que o fóton deve ter para arrancar o elétron da superfície de um material:

• E = energia do fóton (e.V ou J)

• h = constante de Planck (4.10^-15 eV)

• f = frequência (Hz)

É importante notar que a energia do fóton pode ser dada em joule (J) ou em elétron-volts (eVs). Embora as duas unidades sejam válidas, é mais comum utilizar eV, já que os valores da energia dos elétrons são muito baixos. O elétron-volt é a quantidade de energia potencial elétrica de uma carga fundamental e é equivalente a 1,6.10^-19J.

No processo fotoelétrico, a energia do sistema é conservada, então podemos olhar para a energia cinética que o elétron adquire na emissão por meio da função trabalho, energia mínima para emitir um elétron (Φ):

• Φ = Função trabalho (eV)

A função trabalho é uma característica do material e depende da ligação dos elétrons nesse material.

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Exemplos de efeito fotoelétrico

O experimento do efeito fotoelétrico era feito por meio de duas placas metálicas ligadas a uma bateria. Nesse circuito elétrico, eram colocados um amperímetro (medidor de corrente) e um voltímetro (medidor de tensão). Quando a bateria era iluminada por certas frequências de luz, elétrons eram emitidos.

Philipp Lenard estudou esse experimento e percebeu que, com o aumento da intensidade da luz, havia um aumento na quantidade de elétrons emitidos. Porém, ao manter a frequência constante, a energia cinética dos elétrons não mudava.

Aplicações do efeito fotoelétrico

Hoje há diversas aplicações para esse efeito, sendo a principal a transformação de energia luminosa (como a solar) em energia elétrica, como é o caso das células fotovoltaicas utilizadas nos painéis solares.

Outro equipamento comum que utiliza esse efeito é o sensor de movimento que detecta a radiação infravermelha de quando algo se move.

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Exercícios resolvidos sobre efeito fotoelétrico

1. (UFRGS-2012) Em 1905, Einstein propôs uma teoria simples e revolucionária para explicar o efeito fotoelétrico, a qual considera que a luz é constituída por partículas sem massa, chamadas de fótons. Cada fóton carrega uma energia dada por hf, onde h= 4,1 x 10^-15 eV.s é a constante de Planck, e f é a frequência da luz. Einstein relacionou a energia cinética, E, com que o elétron emerge da superfície do material à frequência da luz incidente sobre ele e à função trabalho, W, através da equação E = hf-W. A função trabalho W corresponde à energia necessária para um elétron ser ejetado do material.

Em uma experiência realizada com os elementos Potássio (K), Chumbo (Pb) e Platina (Pt), deseja-se obter o efeito fotoelétrico fazendo incidir radiação eletromagnética de mesma frequência sobre cada um desses elementos.

Dado que os valores da função trabalho para esses elementos são WK = 2,1 eV, WPb = 4,1 eV e WPt = 6,3 eV, é correto afirmar que o efeito fotoelétrico será observado, nos três elementos, na frequência

a) 1,2.10¹⁴ Hz.

b) 5,4.10¹⁴ Hz.

c) 1,6.10¹⁵ Hz.

d) 3,1.10¹⁴ Hz.

e) 1,0.10¹⁵ Hz.

Resolução

Alternativa C.

Para sabermos a frequência para os três materiais, basta descobrir a frequência do material com maior função trabalho, pois a energia capaz de ejetar o elétron no material com maior função trabalho conseguirá facilmente retirar os elétrons dos materiais com menor função trabalho.

Assim, utilizando a equação da energia do fóton com a função trabalho da platina, temos:

Isolando a frequência, chegamos à resposta final:

2. (UFRGS-2015) Assinale a alternativa que preenche corretamente as lacunas do enunciado abaixo, na ordem em que aparecem.

A incidência de radiação eletromagnética sobre uma superfície metálica pode arrancar elétrons dessa superfície.

O fenômeno é conhecido como ........ e só pode ser explicado satisfatoriamente invocando a natureza ........ da luz.

a) efeito fotoelétrico – ondulatória

b) efeito Coulomb – corpuscular

c) efeito Joule – corpuscular

d) efeito fotoelétrico – corpuscular

e) efeito Coulomb – ondulatória

Resolução

Alternativa D.

O efeito fotoelétrico é o que explica a emissão de elétrons quando uma superfície é atingida por certas frequências de luz. Para explicar esse efeito, foi necessário considerar a luz como fóton (natureza corpuscular).