Ciências da Natureza e suas Tecnologias - FÍSICA Ensino Médio, 3ª Série EFEITO FOTOELÉTRICO

Ciências da Natureza e suas Tecnologias - FÍSICA

Ensino Médio, 3ª Série

EFEITO FOTOELÉTRICO

FÍSICA, 3ª Série do Ensino MédioEfeito fotoelétrico

APRESENTAÇÃO

Neste tópico, destacamos o estudo do efeito fotoelétrico e do átomo de Bohr. Ao formularem essas teorias, Albert Einstein e Niels Bohr utilizaram a ideia da quantização da energia proposta por Max Planck.

Então, vamos mergulhar neste mundo fascinante da Física Moderna?

INTRODUÇÃO À FÍSICA MODERNA

• Física Clássica: Física desenvolvida antes de 1900.

• Física Moderna: Física desenvolvida de 1900 até os dias atuais.

• Física Moderna: mudança radical de alguns conceitos físicos (quebra de paradigmas).

• Física Moderna: rápido progresso tecnológico.


Alguns nomes importantes na Física Moderna:

1. Albert Einstein;2. Louis Victor (De Broglie);3. Max Planck;4. Werner Heisenberg;5. Niels Bohr;6. Ernest Rutherford;7. Marie Curie;


A Física Moderna apóia-se basicamente em duas teorias:

• Teoria dos Quanta (Max Planck) – 1900;

• Teoria da Relatividade (Albert Einstein) – 1905.



PLANCK, Max Karl Ernst Ludwig (1858-1947), físico alemão. Dedicou-se ao estudo de Irradiação Térmica, Óptica e Termodinâmica. Formulou a Teoria dos Quanta e recebeu o prêmio Nobel em 1918. (1)

Teoria dos Quanta

A energia radiante não é emitida (ou absorvida) de modo contínuo, como em geral imaginamos, mas sim em porções descontínuas, “partículas” que transportam, cada qual, uma quantidade de energia E bem definida. Essas “partículas” de energia foram denominadas fótons. A energia E de cada fóton é denominada quantum (no plural quanta). O quantum E de energia radiante de frequência f é dado por:

E = hf

Em que h = 6,63 ∙ 〖 10 〗 ^(−34) j ∙ s ou h = 4,14 ∙ 〖 10 〗 ^(−15) e V ∙ s é a constante de Planck.

http://proffred.files.wordpress.com/2009/09/3-19-fisica-quantica.pdf

Um pouco de estudo da língua na Física:Um pouco de estudo da língua na Física:

O que é O que é QuantaQuanta??

Quanta é o plural de quantum, palavra latina que significa “quantidade”.



PLANCK, Max Karl Ernst Ludwig (1858-1947), físico alemão. Dedicou-se ao estudo de Irradiação Térmica, Óptica e Termodinâmica. Formulou a Teoria dos Quanta e recebeu o prêmio Nobel em 1918.

Efeito Fotoelétrico

Quando uma radiação eletromagnética incide sobre a superfície de um metal, elétrons podem ser arrancados dessa superfície. É o efeito fotoelétrico. Os elétrons arrancados são chamados fotoelétrons. (1)



Einstein explicou o efeito fotoelétrico, levanto em conta a quantização da energia: um fóton da radiação incidente, ao atingir o metal, é completamente absorvido por um único elétron, cedendo-lhe sua energia hf. Com essa energia adicional o elétron pode escapar do metal. Essa teoria de Einstein sugere que a luz ou outra forma de energia radiante é composta de “partículas” de energia, os fótons.(1)

Função trabalho ϕ

É a energia mínima necessária para um elétron escapar do metal.



Einstein, Albert (1879-1955), físico alemão. Em 1905, aos 26 anos, dentre outros trabalhos, publicou a teoria da Relatividade Especial, bem como a explicação do efeito fotoelétrico. Esteve no Brasil (Sobral-CE) em 1919 e recebeu o prêmio Nobel em 1921. (1)

Equação fotoelétrica de Einstein

A energia dos fótons (hf) é absorvida pelos elétrons do metal que vencem a barreira da energia ϕ do mesmo, adquirindo energia cinética na emissão.

hfE máxc )(



tg θ = h

A frequência mínima a partir da qual os elétrons escapam do metal é tal que:

A equação fotoelétrica de Einstein fica:

Gráfico em função da frequência f

(numericamente)

0hf

).( 0.)( ffhE máxc

(1)


APLICAÇÕES DO EFEITO FOTOELÉTRICO

1. Você sabe o que é um chip CCD usado em máquinas digitais?

2. Sabe como é o controle de portas de elevadores? E as portas dos shoppings?

3. O que dizer do funcionamento das esteiras de caixas de supermercado?



BOHR, Niels Henrik David (1885-1962), físico dinamarquês. Descobriu propriedades importantes do urânio-235 e participou de pesquisas que resultaram na fabricação da bomba atômica pelos Estados Unidos. (1)

O ÁTOMO DE BÖHR

O modelo de Böhr aplicado ao átomo de hidrogênio

Para o átomo de hidrogênio, Böhr estabeleceu uma série de postulados que são os seguintes:

O elétron descreve órbitas circulares em tornoDo núcleo (formado por um único próton), sendo A força de atração eletrostática a força centrí-peta responsável por esse movimento.


2. Apenas algumas órbitas estáveis, bem definidas, denominadas estados estacionários, são permitidas ao elétron. Nelas o átomo não irradia energia, de modo a se conservar a energia total do átomo, sendo então possível aplicar a mecânica clássica para descrever o movimento do elétron.

3. A passagem do elétron de um estado estacionário para outro é possível mediante a absorção ou liberação de energia pelo átomo. A energia do fóton absorvido ou liberado no processo correspondente à diferença entre as energias dos níveis envolvidos. Assim, ao passar de um estado estacionário de energia E para outro de energia E’ (com E’ > E), teremos:

Nessa fórmula, h é a constante de Planck e f, a frequência do fóton absorvido.

hfEE '

(1)


4. As órbitas permitidas ao elétron são aquelas em que o momento angular orbital do elétron é um múltiplo inteiro de Assim, sendo m a massa do elétron; v a velocidade orbital; r o raio da órbita descrita, teremos:

(com n = 1, 2, 3, 4, ...)

Raios das órbitas permitidas

Sendo que = 0,53 Å é o raio de Böhr. Corresponde ao estado estacionário fundamental (menor raio). (1)

nnmrv�

Brnrn ².


Energia mecânica do elétron no n-ésimo estado estacionário, expressa em eV.

Níveis de energia de um elétron num átomo de hidrogênio.

²

6,13

nEn

(1)


VOCÊ SABIA?

Que a molécula da cafeína é um dos componentes fundamentais do computador quântico?

Devido às suas propriedades físico-químicas, a molécula da cafeína seria usada na fabricação dos bios-chips, microcircuitos, nos quais se empregam macromoléculas como unidades de armazenamento de informações.


REFLETINDO...

De acordo com o texto “Teleportação quântica. Partículas gêmeas”, que iremos acessar no sítio http://www.cbpf.br/nqbitrmn/divulgacao/teletransporte.pdf, quais as implicações éticas relacionadas à teleportação?


Vamos praticar o que aprendemos?

01. O ano de 1900 pode ser considerado o marco inicial de uma revolução ocorrida na Física do séc. XX. Naquele ano, Max Planck apresentou um artigo à Sociedade Alemã de Física, introduzindo a ideia da ............. da energia, da qual Einstein se valeu para, em 1905, desenvolver sua teoria sobre o efeito fotoelétrico.

Qual palavra preenche corretamente a lacuna acima?

a)Conservação d) Transformação b)Quantização e) Propagaçãoc)Conversão


02. Qual das afirmações abaixo explica corretamente o efeito fotoelétrico?

a)Choque elétrico entre as partículas leves e núcleos.b)Produção de raios X, quando há choque de elétrons em uma placa de metal.c)Produção de luz por modificação energética de um sistema atômico.d)Arrancamento de elétrons de uma substância por incidência de radiação eletromagnética.e)Nenhum dos fenômenos acima.


03. A emissão de fotoelétrons por um determinado metal exige que:

a)A luz incidente tenha uma frequência maior que um determinado valor.b)A luz incidente tenha um comprimento de onda superior a um determinado valor.c)A temperatura do metal esteja próximo à de sua temperatura de fusão.d)A luz incidente tenha uma intensidade superior a um determinado valor.e)O metal não esteja ligado à Terra.


04. O elétron de hidrogênio, ao emitir um fóton, passa do primeiro estado estacionário excitado para o estado fundamental. Sendo h = 4,14. 10-15 eV.s a constante de Planck, determine a energia e a frequência do fóton emitido.

05. A função trabalho do zinco é 4,3 eV. Um fotoelétron do zinco é emitido com energia cinética máxima de 4,2 eV. Qual é a frequência f do fóton incidente que emitiu aquele fotoelétron? (Dado: constante de Planck h = 6,63 . 10-34 Js)


06. Em condições normais, o olho humano pode detectar em média 10-18 joules de energia eletromagnética. Quantos fótons de 6000 ângstroms essa energia representa? Considere: h = 6,63 . 10-34 Js; c = 3.108m/s.



SUGESTÕES DE PESQUISA:

1.HALLIDAY, D.; RESNICK, R. Física. 4 ed. Rio de Janeiro, Livros Técnicos e Científicos, 1984.2.YOUNG, Hugh D.; FREEDMAN, Roger A. University Physics. Massachusetts, Addison-Wesley, 1995.

Tabela de ImagensSlide Autoria / Licença Link da Fonte Data do

Acesso

8, 10, 11, 13 e 16

SEE-PE, redesenhado a partir de ilustração de Autor Desconhecido. Acervo SEE-PE. 30/03/2012

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