Efeito fotoelétrico
Ilumine a superfície de um metal e, sob as condições certas, ela ejetará elétrons — um resultado teimosamente estranho quando a física clássica tentou explicá-lo. A teoria ondulatória do século 19 previa que uma luz mais fraca também deveria ejetar elétrons, só que mais devagar, desde que houvesse tempo suficiente para acumular energia. Os experimentos reais mostraram o oposto: abaixo de uma frequência de corte bem definida, nenhuma intensidade nem tempo de espera produz um único elétron, enquanto até a luz mais fraca acima dessa frequência ejeta elétrons instantaneamente. A explicação de Einstein em 1905 — de que a própria luz chega em pacotes discretos de energia, mais tarde chamados de fótons — resolveu o enigma e se tornou um dos resultados fundadores da mecânica quântica, pelo qual ele ganhou o Prêmio Nobel de Física de 1921.
Efeito Fotoelétrico
A luz não atinge um metal como uma onda suave — ela chega em pequenos pulsos chamados fótons, cada um carregando uma quantidade fixa de energia. Um elétron escapa apenas se a energia de um único fóton for pelo menos tão grande quanto a função trabalho do metal, a energia que normalmente mantém o elétron no lugar. Qualquer energia que sobra se torna a energia cinética do elétron quando ele voa para longe.
A fórmula
KEₘₐₓ = h · f − φ
- KEₘₐₓ — energia cinética máxima (eV): a maior energia que um elétron ejetado carrega embora
- h — constante de Planck (eV·s): constante minúscula que liga a frequência de um fóton à sua energia
- f — frequência (Hz): quantas ondas de luz chegam a cada segundo
- φ — função trabalho (eV): energia mínima necessária para arrancar um elétron do metal
Exemplo resolvido
Um fóton atingindo uma superfície de sódio carrega 3.1 eV de energia. A função trabalho do sódio é 2.1 eV. Qual é a energia cinética máxima de um elétron ejetado?
- hf = 3.1 eV
- φ = 2.1 eV
- KEₘₐₓ = h · f − φ
- KEₘₐₓ = 3.1 eV − 2.1 eV
KEₘₐₓ = 1.0 eV
Teste-se
Agora a fonte de luz é trocada por uma com maior frequência, fornecendo fótons com 3.6 eV de energia à mesma superfície de sódio (função trabalho ainda 2.1 eV). Qual é a nova energia cinética máxima?
- 5.7 eV
- Resposta correta: 1.5 eV
- 1.0 eV
Sim! KE_max = 3.6 eV − 2.1 eV = 1.5 eV.
Suponha que a energia do fóton hf seja menor que a função trabalho φ do metal. O que acontece?
- O elétron é ejetado mas mais lento
- O elétron é ejetado com energia cinética negativa
- Resposta correta: Nenhum elétron escapa de jeito nenhum
Certo — abaixo da função trabalho, um único fóton não pode fornecer energia suficiente, então nenhum elétron escapa, não importa o quão brilhante seja a luz.
Onde você vê isso
Um painel solar no telhado é este efeito trabalhando para ganhar a vida: os fótons da luz do sol atingem o silício, cada um arrancando no máximo um elétron, e esses elétrons libertados escoam para fora como corrente elétrica. Postes de luz que detectam o anoitecer e antigas portas com fotocélula funcionam com a mesma troca de um fóton por elétron.
Erros comuns
O erro clássico é achar que uma luz mais brilhante deveria arrancar elétrons com mais força — a intensidade só produz MAIS elétrons; a energia de cada um depende apenas da frequência do fóton, por meio de KEₘₐₓ = h · f − φ. E abaixo do limiar nada acontece, não importa quão brilhante seja o feixe: energia cinética não pode ser negativa, então se hf for menor que a função trabalho φ, nenhum elétron escapa de jeito nenhum. Acima do limiar, subtraia: fótons de 3.6 eV sobre sódio (φ = 2.1 eV) ejetam elétrons com 1.5 eV.
Como se conecta
Esta é a rachadura fundadora da física clássica — a luz se comportando como partículas — e a porta para todo o módulo de física moderna: o espalhamento Compton, a seguir, mostra que esses fótons carregam quantidade de movimento como bolas de bilhar, e a dualidade onda-partícula que termina nas ondas de matéria começa exatamente aqui.