O efeito fotoelétrico

O efeito fotoelétrico é o fenômeno físico pelo qual os elétrons são ejetados de um material quando exposto a uma luz de frequência suficientemente alta. Esse fenômeno, conhecido há mais de um século, tem sido objeto de muito debate entre os cientistas. Eles estavam divididos quanto à própria natureza da luz. Era uma onda ou uma partícula?

Começa em 1887. O físico alemão Heinrich Rudolph Hertz (1857-1894), famoso pela descoberta das ondas eletromagnéticas, descobriu o efeito fotoelétrico em um experimento bastante simples.

Duas placas de metal são colocadas no vazio. Uma diferença de potencial é aplicada a essas placas. A corrente que flui através do sistema é medida. Como as placas de metal são colocadas no vácuo, os elétrons não têm suporte para passar de um eletrodo entre si e, portanto, nenhuma corrente pode fluir através do sistema.

Hertz ilumina uma das placas com luz vermelha e nada acontece. Ele então ilumina a placa com luz azul e percebe que uma corrente está começando a fluir.

A luz, ao atingir a superfície do metal, arranca elétrons dele, o que corresponde ao aparecimento de eletricidade, pois os elétrons são eletricamente carregados. Mas esta explicação não é suficiente.

Em 1900, outro físico alemão Max Planck (1858-1947) estudou a radiação do corpo negro e propôs uma teoria da emissão de luz. A luz corresponde à atividade de corpúsculos microscópicos vibratórios, cuja energia emitida E é proporcional à frequência de vibração (E = hν). Ele chama essa quantidade elementar de luz de "quanta".

Foi Albert Einstein (1879-1955) quem fez uma grande contribuição para a compreensão do efeito fotoelétrico. Ele misturará todos os resultados experimentais de Hertz, Halbwachs, Elster, Geitel e Lenard com as hipóteses teóricas de Planck. Ele oferece uma teoria de que a luz é composta de partículas individuais, chamadas fótons. Ele postula que esses fótons têm uma energia quantizada que é diretamente proporcional à sua frequência. Essa hipótese ajudou a explicar a relação entre a frequência da luz e a energia dos elétrons emitidos por um material quando exposto à luz de alta energia.

A equação de Einstein para o efeito fotoelétrico relaciona a energia cinética dos elétrons emitidos com a energia do fóton da luz incidente.
É dada por E = hf - Φ, onde E é a energia cinética do elétron emitido, h é a constante de Planck, f é a frequência da luz incidente e Φ é a função trabalho do material.

A constante de Planck, denotada h, é uma constante física fundamental que é usada para calcular a energia dos fótons. Tem um valor de aproximadamente 6,626 x 10^-34 joules segundo (J.s). A frequência da luz incidente, denotada por f, é o número de ciclos de luz completos por segundo e é medida em hertz (Hz).

A função trabalho do material, denotada por Φ, é a energia mínima necessária para ejetar um elétron do material. Depende das propriedades do próprio material, como a natureza de suas ligações químicas, sua estrutura cristalina e sua composição. A função de trabalho é uma medida de quão facilmente os elétrons podem ser ejetados de um material. Quanto maior, mais difícil é ejetar elétrons do material.

A equação de Einstein para o efeito fotoelétrico mostra que a energia cinética dos elétrons emitidos é diretamente proporcional à energia do fóton da luz incidente menos a função trabalho do material. Isso significa que se a frequência da luz incidente for muito baixa, a energia dos fótons será insuficiente para ejetar elétrons do material, mesmo que eles estejam livres para se mover. Para que ocorra o efeito fotoelétrico, a frequência da luz incidente deve ultrapassar um valor limite determinado pela função trabalho do material.

A equação de Einstein para o efeito fotoelétrico tem implicações importantes para a compreensão da natureza da luz e da matéria, bem como para muitas áreas da ciência e tecnologia, incluindo física de materiais, energia solar e imagens médicas.