FÍSICA MODERNA E CONTEMPORÂNEA
A coisa mais bela que o homem pode experimentar é o mistério. É essa emoção fundamental que está na raiz de toda ciência e toda arte.
Albert Einstein
Experimento Efeito Fotolétrico
O efeito fotoelétrico consiste na emissão de elétrons de um meio material qualquer que absorva a radiação eletromagnética (luz visível, ultravioleta, raios-x). Embora ainda não se soubesse do que se tratava, o efeito fotoelétrico foi observado em 1887 por Henrich Hertz. Posteriormente Philip Lenard construiu um experimento onde conseguiu observar que a luz arrancava cargas elétricas, mas nesta época ainda não se sabia da existência do elétron. Em 1905 Albert Einstein conseguiu descrever como ocorre o efeito fotoelétrico, propondo que a energia eletromagnética é quantizada, portanto, a luz é uma energia quantizada! No entanto, suas ideias só foram aceitas 10 anos após quando Robert Andrews Millikan reconhece em seu trabalho as suas contribuições. Em 1921, Einstein recebeu o prêmio Nobel de Física pelas suas contribuições à Física Teórica, em particular por seu trabalho sobre o efeito fotoelétrico.
O experimento descrito no vídeo mostra como ocorre o efeito fotoelétrico.
O aparato consiste em:
Placa de alúmino ligado a uma haste fixa;
Um pêndulo preso a uma haste fixa dentro de uma caixa de vidro para isolar de influências externas;
Uma lâmpada de mercúrio
Uma fonte emissora de luz ultravioleta.
Inicialmente, atrita-se o cano de pvc com o pelego. Nesse processo de eletrização, o cano irá adquirir carga negativa e o pelego carga positiva. Ao encostar o cano de pvc na placa de alumínio, ligada ao pêndulo, este será eletrizado por contato, com carga negativa.
Pode-se observar que a haste se afasta da barra de apoio, demonstrando que há uma força de repulsão entre ambos. É necessário esperar que a haste estabilize, ou seja, pare de se movimentar.
Depois de estabilizada a haste, aproxima-se a fonte de luz.
A primeira fonte aproximada é a lâmpada de mercúrio. Espera-se alguns minutos e nota-se que nada acontece.
Troca-se a fonte para Luz Ultravioleta. Ao trocar a fonte nota-se que a haste aos poucos começa a se aproximar da barra de apoio.
O que acontece nesse processo?
Ao incidir uma onda elétromagnética na placa de alúminio alguns elétrons são "arrancados", ou seja, são ejetados para o ar. Ao perder elétrons a placa torna-se positiva. Como o pêndulo está carregado negativamente, ele passa a ser atraído pela haste ligada a placa.
Por quê o efeito só é observado com a fonte de luz ultravioleta?
O efeito fotoelétrico é mais facilmente observado nos metais e cada um, por suas características, apresenta uma frequência de corte, ou seja, uma energia mínima capaz de provocar a ejeção de elétrons.
Vamos fazer alguns cálculos para poder compreender o que foi observado experimentalmente.
A frequência de corte do alúminio é 4,08 eV, ou seja, para que um elétron seja ejetado é preciso uma energia mínima de 4,08 eV (ou 6,53.10^-9 J).
Sabemos que a função trabalho é dado por:
Logo,
A luz ultravioleta possui comprimentos de onda que vão de 400 nm a 15 nm e frequências que vão 750 THz a 300 PHz.
A lâmpada de mercúrio emite luz de aparência branca azulada, com uma emissão na região visível dos comprimentos de onda do amarelo (570-590 nm), azul ( 450-495 nm) e verde (495-570 nm), cujas frequências são respectivamente 526 THz, 668 THz e 606 THz.
Comparando-se o resultado com as frequências da luz ultravioleta e da luz emitida pela lâmpada de mercúrio podemos observar que apenas a luz luz ultravioleta oferece uma energia mínima para ejetar elétrons da placa de alumínio, conforme foi observado experimentalmente.
Nota-se entretanto, que nem toda luz ultravioleta é capaz de provocar o efeito. Tomamos como exemplo, a luz negra, que são lâmpadas ultravioleta que emitem comprimentos de onda próximos à luz visível entre 380 e 420 nm. Neste tipo de lâmpada teríamos uma frequência dada por:
Se utilizássemos esse tipo de lâmpada como fonte provavelmente não veríamos o efeito acontecer!!!
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