Universidade Federal do Rio Grande do Sul

Universidade Federal do Rio Grande do Sul

Instituto de Física

Instituto de Física

Programa de Pós-Graduação em Ensino de Física

Programa de Pós-Graduação em Ensino de Física

O Efeito Fotoelétrico e

O Efeito Fotoelétrico e

uma Nova Visão para a Luz

uma Nova Visão para a Luz

Mestrando Patrese Vieira

Mestrando Patrese Vieira

Porto Alegre, maio de 2013

Porto Alegre, maio de 2013

(MAIS UM) PROBLEMA SOBRE

(MAIS UM) PROBLEMA SOBRE A LUZA LUZ

Hertz foiHertz foi o físico o físico alemão que demonstrou a alemão que demonstrou a existência da radiação existência da radiação eletromagnética, através eletromagnética, através da criação de equipamentos da criação de equipamentos que emitiam e detectavam que emitiam e detectavam ondas de rádio. ondas de rádio.

Heinrich Rudolf HERTZHeinrich Rudolf HERTZ

(1857-1894) (1857-1894)

Em 1887, Hertz desenvolvia experimentos sobre Em 1887, Hertz desenvolvia experimentos sobre ondas eletromagnéticas (como a luz, por exemplo) e ondas eletromagnéticas (como a luz, por exemplo) e constatou que o brilho de algumas faíscas constatou que o brilho de algumas faíscas melhorava o desempenho de um detector.melhorava o desempenho de um detector.

Investigando, concluiu que a luz emitida modificava Investigando, concluiu que a luz emitida modificava algo no terminal negativo do equipamento algo no terminal negativo do equipamento experimental, feito de bronze. Assim foi concebido o experimental, feito de bronze. Assim foi concebido o efeitoefeito fotoelétricofotoelétrico..

O efeito fotoelétrico (do grego: foto = luz) ocorre O efeito fotoelétrico (do grego: foto = luz) ocorre quando um feixe de luz incide sobre uma superfície quando um feixe de luz incide sobre uma superfície metálica e consequentemente ejeta elétrons dela, sendo metálica e consequentemente ejeta elétrons dela, sendo estes chamados de estes chamados de fotoelétronsfotoelétrons..

Com a morte prematura de Com a morte prematura de Hertz, o físico húngaro Hertz, o físico húngaro Lenard, seu auxiliar, Lenard, seu auxiliar, prossegue suas pesquisasprossegue suas pesquisas

Philipp Eduard Anton von LENARDPhilipp Eduard Anton von LENARD

(1862 – 1947) (1862 – 1947)

Lenard utilizava dispositivos experimentais Lenard utilizava dispositivos experimentais feitos com placas de diferentes metais polidos feitos com placas de diferentes metais polidos colocados dentro de ampolas de vidro, não havendo colocados dentro de ampolas de vidro, não havendo ar em seu interior.ar em seu interior.

V

+

+A

Mesmo após a identificação do Efeito Fotoelétrico Mesmo após a identificação do Efeito Fotoelétrico ainda havia muitas dúvidas a serem investigadas, ainda havia muitas dúvidas a serem investigadas, afinal de contas, por que a luz conseguiria ejetar afinal de contas, por que a luz conseguiria ejetar elétrons de alguns metais?elétrons de alguns metais?

Para Lenard, havia dois problemas precisando de Para Lenard, havia dois problemas precisando de solução...solução...

1º) A existência de um limiar de frequência1º) A existência de um limiar de frequência

Alguns tipos de luzes conseguiam emitir Alguns tipos de luzes conseguiam emitir elétrons e outros não. elétrons e outros não.

Os fotoelétrons só eram emitidos para Os fotoelétrons só eram emitidos para frequênciasfrequências acima de determinado valor, conhecido acima de determinado valor, conhecido como como limiar de frequência. limiar de frequência.

A Frequência de uma onda pode ser explicada A Frequência de uma onda pode ser explicada em termos de seu em termos de seu comprimento de ondacomprimento de onda. O . O comprimento de onda (comprimento de onda ())é a distância que a onda é a distância que a onda percorre para realizar uma oscilação completa.percorre para realizar uma oscilação completa.

Já a frequência (Já a frequência () é definida como o número de ) é definida como o número de oscilações que uma onda consegue completar em 1 oscilações que uma onda consegue completar em 1 segundo.segundo.

Matematicamente, ambas se relacionam por:Matematicamente, ambas se relacionam por:

= v / = v /

Onde v é a velocidade de propagação da onda.Onde v é a velocidade de propagação da onda.

2º) A inexistência do tempo de retardamento2º) A inexistência do tempo de retardamento

Se a luz incidente não tivesse energia Se a luz incidente não tivesse energia suficiente para emitir o elétron, a superfície metálica suficiente para emitir o elétron, a superfície metálica absorveria energia até que acumulasse o suficiente absorveria energia até que acumulasse o suficiente para ejetá-lo.para ejetá-lo.

Este tempo de absorção de energia é o Este tempo de absorção de energia é o tempo de retardamentotempo de retardamento, porém ele , porém ele nãonão é é observado.observado.

NOVAS IDEIAS PARA NOVOS

NOVAS IDEIAS PARA NOVOS PROBLEMAS

PROBLEMAS

Em 1900, Planck, Em 1900, Planck, importante físico importante físico alemão, propôs uma alemão, propôs uma nova concep-ção que nova concep-ção que causaria mudan-ças causaria mudan-ças profundas na Física.profundas na Física.

Max Karl Ernest Ludwig PLANCKMax Karl Ernest Ludwig PLANCK

(1858 - 1947) (1858 - 1947)

Na época, já se sabia que os corpos emitiam energia Na época, já se sabia que os corpos emitiam energia através de ondas eletromagnéticas (chamada através de ondas eletromagnéticas (chamada energia radiante), mas não se sabia de que forma.energia radiante), mas não se sabia de que forma.

Planck propôs que essa energia emitida era Planck propôs que essa energia emitida era quantizadaquantizada em um corpo. em um corpo.

Isso significa que ela poderia possuir apenas Isso significa que ela poderia possuir apenas valores múltiplos de uma quantidade elementar de valores múltiplos de uma quantidade elementar de energia, chamada por Planck de energia, chamada por Planck de quantumquantum..

Adotando a ideia de quantum, Planck não só Adotando a ideia de quantum, Planck não só resolveu o problema da emissão da energia radiante resolveu o problema da emissão da energia radiante como forneceu um princípio à Física que causaria uma como forneceu um princípio à Física que causaria uma enorme revolução.enorme revolução.

A energia radiante seria emitida pelos corpos A energia radiante seria emitida pelos corpos através de quanta, que podem ser interpretados como através de quanta, que podem ser interpretados como “pacotes” de energia.“pacotes” de energia.

Segundo Planck, a energia de cada quantum Segundo Planck, a energia de cada quantum depende da frequência da radiação com a qual ele depende da frequência da radiação com a qual ele foi emitido. foi emitido.

A energia total liberada é proporcional ao número de A energia total liberada é proporcional ao número de quanta emitidos. quanta emitidos.

Matematicamente, a energia emitida foi Matematicamente, a energia emitida foi representada por:representada por:

E = n.h.E = n.h.

Onde Onde EE é a energia total emitida, é a energia total emitida, sua frequência sua frequência e e nn (n = 0, 1, 2, 3, ...) o número de quanta. (n = 0, 1, 2, 3, ...) o número de quanta. hh é é conhecida como conhecida como ConstanteConstante dede PlanckPlanck..

ENERGIA CONTÍNUAENERGIA CONTÍNUA

ENERGIA QUANTIZADAENERGIA QUANTIZADA

E =

0E =

0

E =

1.h

.vE =

1.h

.v

E =

2.h

.vE =

2.h

.v

E =

3.h

.vE =

3.h

.v

E =

4.h

.vE =

4.h

.v

......

Os estudos de Planck permitiram a explicação da Os estudos de Planck permitiram a explicação da existência do limiar de frequencia. existência do limiar de frequencia.

A energia da radiação eletromagnética é diretamente A energia da radiação eletromagnética é diretamente proporcional à frequência. Dessa forma, luzes com proporcional à frequência. Dessa forma, luzes com baixas frequências possuem menor energia, assim não baixas frequências possuem menor energia, assim não emitem fotoelétrons em muitos casos, ao contrário do emitem fotoelétrons em muitos casos, ao contrário do que ocorre com luzes com altas frequências.que ocorre com luzes com altas frequências.

O efeito fotoelétrico torna-se mais evidente com O efeito fotoelétrico torna-se mais evidente com radiação violeta ou ultravioleta, que possuem maiores radiação violeta ou ultravioleta, que possuem maiores frequências, como observado no frequências, como observado no espectro espectro eletromagnéticoeletromagnético..

Mesmo após esses avanços, ainda havia uma Mesmo após esses avanços, ainda havia uma incógnita: o incógnita: o tempo de retardamentotempo de retardamento..

Ainda que a luz com baixas frequências não ejetasse Ainda que a luz com baixas frequências não ejetasse elétrons imediatamente, o metal conseguiria elétrons imediatamente, o metal conseguiria acumular energia para posteriormente ejetá-los, acumular energia para posteriormente ejetá-los, algo aceitável para uma onda eletromagnética, mas algo aceitável para uma onda eletromagnética, mas que não acontecia. que não acontecia.

Com isso veio uma grande dúvida: ou a teoria Com isso veio uma grande dúvida: ou a teoria ondulatória da luz estava errada ou a propagação ondulatória da luz estava errada ou a propagação eletromagnética não era um fenômeno ondulatório.eletromagnética não era um fenômeno ondulatório.

FAÇA-SE A LUZ

FAÇA-SE A LUZ

A nova incerteza acerca da natureza da luz A nova incerteza acerca da natureza da luz durou cerca de cinco anos, sendo construída uma durou cerca de cinco anos, sendo construída uma nova solução em 1905.nova solução em 1905.

Em 1905, Einstein Em 1905, Einstein inspirou-se em inspirou-se em Planck para buscar Planck para buscar uma nova explicação uma nova explicação para a natureza da para a natureza da luz.luz.

Albert EINSTEINAlbert EINSTEIN

(1879 - 1955) (1879 - 1955)

Einstein, baseado na ideia de Planck, adotou a Einstein, baseado na ideia de Planck, adotou a hipótese de que a energia não está localizada em quanta hipótese de que a energia não está localizada em quanta apenas quando é emitida por um corpo, mas que apenas quando é emitida por um corpo, mas que também possui a mesma característica quando está também possui a mesma característica quando está dispersa pelo espaço.dispersa pelo espaço.

ENERGIA ESPALHADA PELO ESPAÇOENERGIA ESPALHADA PELO ESPAÇO

ENERGIA CONCENTRADA EM PACOTESENERGIA CONCENTRADA EM PACOTES

Nesse caso a luz, enquanto onda eletromagnética, Nesse caso a luz, enquanto onda eletromagnética, também estaria reunida nesses pacotes, chamados por também estaria reunida nesses pacotes, chamados por Einstein de Einstein de corpúsculos de luzcorpúsculos de luz, sendo posteriormente , sendo posteriormente batizados como batizados como fótonsfótons..

Cada fóton possui uma energia associada a si, ou Cada fóton possui uma energia associada a si, ou seja, segundo Einstein, adequando os resultados de seja, segundo Einstein, adequando os resultados de Planck, a energia de um fóton é:Planck, a energia de um fóton é:

E = h.E = h.

A partir desse instante, a luz passou a ser A partir desse instante, a luz passou a ser interpretada como um conjunto de partículas, ou interpretada como um conjunto de partículas, ou seja, passou a existir um caráter corpuscular para a seja, passou a existir um caráter corpuscular para a luz.luz.

No efeito fotoelétrico, No efeito fotoelétrico, umum fótonfóton penetra em penetra em uma superfície metálica e transfere para uma superfície metálica e transfere para um único um único elétronelétron toda sua energia. toda sua energia.

Se essa energia for suficiente, o elétron Se essa energia for suficiente, o elétron abandona o metal abandona o metal imediatamenteimediatamente, caso contrário, , caso contrário, permanecerá preso a ele. permanecerá preso a ele.

Dessa maneira, a interpetação da luz como Dessa maneira, a interpetação da luz como fóton explica a ausência do tempo de retardamento.fóton explica a ausência do tempo de retardamento.

A comprovação experimental para o efeito A comprovação experimental para o efeito fotoelétrico só foi obtida em 1916, pelo físico fotoelétrico só foi obtida em 1916, pelo físico estadunidense Robert Millikan (1868-1953), que que estadunidense Robert Millikan (1868-1953), que que se dedidou a esta pesquisa desde 1906.se dedidou a esta pesquisa desde 1906.

Então, o que é aEntão, o que é a

LUZLUZ??

Embora o efeito fotoelétrico só tenha sido Embora o efeito fotoelétrico só tenha sido completamente explicado a partir da adoção do completamente explicado a partir da adoção do fóton (luz enquanto partícula), há outros fenômenos fóton (luz enquanto partícula), há outros fenômenos que são perfeitamente explicados somente pelo seu que são perfeitamente explicados somente pelo seu caráter ondulatório (luz enquanto onda), como a caráter ondulatório (luz enquanto onda), como a difração e a interferência.difração e a interferência.

Dessa forma, não podemos dizer que a luz é Dessa forma, não podemos dizer que a luz é apenas uma onda ou apenas uma partícula, já que apenas uma onda ou apenas uma partícula, já que ela pode apresentar ambos os comportamentos. ela pode apresentar ambos os comportamentos.

Por esse motivo, é possível dizer que na luz há Por esse motivo, é possível dizer que na luz há uma uma dualidade onda-partículadualidade onda-partícula..

A luz apresenta apenas uma característica por A luz apresenta apenas uma característica por vez, ou seja, vez, ou seja, ouou se manifesta como onda se manifesta como onda ouou se se manifesta como partícula. manifesta como partícula.

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICASREFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

CARUSO, F.; OGURI, V. (2006). CARUSO, F.; OGURI, V. (2006). Física Moderna – Origens Física Moderna – Origens Clássicas e Fundamentos QuânticosClássicas e Fundamentos Quânticos. Campus. Rio de . Campus. Rio de Janeiro.Janeiro.

EISBERG, R.; RESNICK, R. (1979). EISBERG, R.; RESNICK, R. (1979). Física QuânticaFísica Quântica. . Campus. Rio de Janeiro.Campus. Rio de Janeiro.

GASPAR, A. (2003). GASPAR, A. (2003). Física - MecânicaFísica - Mecânica, v.1.Ática. São , v.1.Ática. São Paulo.Paulo.

HEWITT, P.G. (2002). HEWITT, P.G. (2002). Física ConceitualFísica Conceitual. Artmed. Porto . Artmed. Porto Alegre, 2002.Alegre, 2002.

CRÉDITOS DAS IMAGENS E ANIMAÇÕESCRÉDITOS DAS IMAGENS E ANIMAÇÕES

A seguir estão relacioadas as fontes das imagens A seguir estão relacioadas as fontes das imagens e animações e os slides nos quais foram utilizadas.e animações e os slides nos quais foram utilizadas.

•Autor: Autor: slidesslides 07, 07, 10, 20, 21, 24 e 33. 07, 07, 10, 20, 21, 24 e 33.

•Tirinhas de Física: Tirinhas de Física: slides slides 42, 43 e 47.42, 43 e 47.

•Wikipedia: Wikipedia: slidesslides 03, 06, 11, 14, 22, 30, 31, 32 e 46. 03, 06, 11, 14, 22, 30, 31, 32 e 46.