Voltar para Conteúdos

Efeito Fotoelétrico

O objetivo desta experiência é mostrar a quantização da energia em ondas eletromagnéticas e determinar constante de Planck h. É possível testar no laboratório a relação proposta por Albert Einstein entre a energia do fóton e a energia cinética máxima dos elétrons expelidos pelo efeito fotoelétrico de uma superfície de metal alcalino como uma função da frequência. Uma determinada quantidade da energia cedida é usada para vencer a função trabalho (φ) do cátodo de metal, que é constante e próprio do tipo de material usado no cátodo. Ou seja, φ seria o mínimo da energia necessária para iniciar a ejeção de um elétron fora do metal específico. Mas, como veremos na prática, a função trabalho que podemos aferir não é do cátodo, mas do ânodo ou coletor. Você tem à disposição duas montagens experimentais: a) uma que permite relacionar o comprimento de onda ao potencial de corte, ou seja, o potencial que inibe o fenômeno fotoelétrico e b) outra que permite variar o potencial no coletor e verificar como varia a correspondente corrente fotoelétrica para um determinado comprimento de onda.

 Histórico

O Efeito Fotoelétrico foi observado por A. E. Becquerel em 1839, mas foi confirmado experimentalmente por Heinrich Hertz em 1887 e sua explicação só foi dada por Albert Einstein em 1905, que motivou a Academia a premiá-lo com o Nobel de Física no ano de 1921.

O fenômeno continha vários aspectos que a Física Clássica não tinha condições de explicar de forma satisfatória, pois abordavam a luz como uma onda não como uma partícula e a ideia da energia ser quantizada fugia dos padrões e conceitos da época. Assim: 1) De acordo com as equações de Maxwell, a magnitude do vetor campo elétrico de uma onda de luz varia com a raiz quadrada da intensidade da luz, |E| α √I. Assim, ao aumentar a intensidade , a magnitude do campo elétrico deve aumentar. Uma vez que a força em um elétron é proporcional ao vetor campo elétrico, espera-se que a energia cinética de um de fotoelétron deve aumentar com a intensidade da luz incidente. No entanto, observa-se que a energia cinética máxima dos fotoelétrons não dependem de intensidade. 2) A teoria ondulatória clássica prevê que a fotoemissão deve ocorrer em todos os comprimentos de onda da luz incidente, uma vez que a luz incidente tenha intensidade suficiente. Pelo contrário, existe um determinado comprimento de onda específico para o metal, de tal modo que a luz de comprimento de onda maior não pode liberar elétrons da superfície do metal. 3) Classicamente, um elétron não seria emitido da superfície do metal até que a luz incidente tivesse transferido suficiente da sua própria energia para o metal iluminado. Esta condição exigiria um atraso temporal desde quando a primeira luz incidiu a superfície até quando o primeiro elétron foi ejetado. Mas, experimentalmente, observa-se que a emissão de elétrons ocorre muito pouco tempo após a chegada da radiação.

Einstein ao se deparar com estas dificuldades, partiu de uma concepção de partícula para a luz e não onda e associou  o efeito com a ideia recente, introduzida por Planck em 1900, que a matéria irradia sua energia em quanta de energia hv, sendo h a constante de Planck e v a frequência da onda eletromagnética.
Ele postulou que a luz dá a sua energia para um absorvedor em quanta com hv energia. Assim, se é preciso uma quantidade de energia φ para emergir um elétron para a superfície e restaria uma energia cinética residual K para o elétron ser ejetado, segundo a seguinte relação: K = hv – φ.

Somente após 1912 é que se pode fazer medições com alguma precisão para se verificar a consistência da relação proposta por Einstein. O Prêmio Nobel de 1921 foi atribuído a Albert Einstein por sua descoberta de “a lei do efeito fotoelétrico”. Sir Owen Willans Richardson e K.T. Compton conseguiram verificar a equação fotoelétrica de  Einstein. Pode ser testada a elevada precisão e usada nas determinações precisas da constante de Planck h = 6,626 × 10-34 J · s = 4,135 × 10-15 eV · s.

session7-photoelectric

Montagem Experimental 

A primeira montagem está na foto abaixo. Trata-se de um aparato h/e da Pasco. É recomendável familiarizar-se com todos os componentes antes de ligar qualquer coisa ou fazer qualquer conexão de sinal. Teste as baterias para ver se está tudo OK. Ligue uns 15 minutos antes a luz de mercúrio e a deixe ligada por todo experimento, evite ficar ligando e desligando para não diminuir a vida útil da lâmpada de mercúrio. Ajuste o foco da grade de difração. Abra o cilindro horizontal que conecta a fenda ao recinto do cátodo e observe se a altura e orientação do feixe de onda está adequadamente alinhado. Certifique-se que o cátodo está devidamente alinhado com o seu caminho óptico de um determinado comprimento de onda. Procure evitar a superposição de dois comprimentos de onda na fenda, usando na medida do possível os filtros. Faça a análise de intensidade com o respectivo filtro de transmissão relativa para ver se o modelo clássico é adequado a este fenômeno físico. Da mesma forma veja se o fator  tempo é relevante no processo físico, como prevê os pressupostos a Física clássica nesta experiência.

efeitofotoPicture+390

 

A outra montagem  que temos está esquematizada abaixo. Ela  nos permite variar uma tensão de freamento a partir do coletor e associar a uma determinada corrente fotoelétrica na ordem de nanoamperes medido num eletrômetro Keithley. Podemos traçar curvas da corrente fotoelétrica em função da tensão de frenamento para cada comprimento de onda como vemos abaixo e estabelecer um equivalente da equação estabelecida por Einstein, porém a partir da função trabalho do coletor φc . Ou seja hv= eV + φc , onde V é a tensão de frenamento aplicada no coletor. É possível também estabelecermos a curva de saturação da corrente fotoelétrica, para isso usamos uma bateria 9 V.

PHY251_Photoeffect_fig1fotoelétrico melissinos1-Page-1efeitofotoeletrico-sat

Segurança com radiação ultra violeta

A radiação ultravioleta (UV) é emitida a partir de baixa pressão vapor de mercúrio. O vapor de mercúrio emite UV quando uma descarga eléctrica passa através dele. A energia mais emitida é um comprimento de onda de 254 nm. No que se refere aos efeitos à saúde humana e ao meio ambiente, classifica-se as radiações ultra-violetas em 3 grupos de acordo com seu comprimento de onda: como UVA (400 – 320 nm, também chamada de “luz negra” ou onda longa), UVB (320–280 nm, também chamada de onda média) e UVC (280 – 100 nm, também chamada de UV curta ou “germicida”). A maior parte da radiação UV emitida pelo sol é absorvida pela atmosfera terrestre. A quase totalidade (99%) dos raios ultravioleta que efetivamente chegam a superfície da Terra são do tipo UV-A. A radiação UV-B é parcialmente absorvida pelo ozônio da atmosfera e sua parcela que chega à Terra é responsável por danos à pele. Já a radiação UV-C é totalmente absorvida pelo oxigênio e o ozônio da atmosfera. No caso de lâmpadas fluorescentes, a radiação 254 nm é utilizado para excitar o fósforo que reveste o interior do invólucro de vidro da lâmpada. a substância fosforescente vai voltar a emitir em comprimentos de onda visíveis (fósforos diferentes produzem cores diferentes), e qualquer UVC que não é absorvido pela substância fosforescente será absorvida pelo vidro da parede da lâmpada.

A emitida pela lâmpada de mercúrio usada no laboratório encontra-se na porção do espectro UVC (180-280 nm) e não contém nenhuma substância fosforescente que a absorva. Pede-se o cuidado de não se expor na direção do feixe e não direcionar a lâmpada em direção a outros colegas ou ao professor/ assistente que eventualmente estejam na sala da experiência.

Referências

1. D.W. Preston, E.R. Dietz. The Art of Experimental Physics
2. A. C. Melissinos. Experiments in modern physics. Academic Press, New York (1966).
3. H. Semat. Introduction to atomic and nuclear physics, Rinehart and Co., Inc. New York (1958).
4. R. M. Eisberg, Resnick. Física Quântica .
R. M. Eisberg, L. S. Lerner. Física, fundamentos e aplicações. Volume 4 seção 30.2
5. C. J. Smith, A. R. Stokes. The principles of atomic and nuclear physics. Pág. 212 e 221.
6. J. Rudnick, D. S. Tannhauser; Amer. J. Phys. 44 (8) 796 (1976).
7. T. L. James; Journal of Chemical Education 48 (11) 712 (1971).
H. Book e Ph. D. Mollère; J. Chem. Educ. 51 (8) 506 (1974).
8. Introdução à Física do Estado Sólido; C. Kittel .