Efeito fotoelétrico: experimento e exercícios - Mundo Educação
Efeito fotoelétrico é um fenômeno quântico no qual a luz comporta-se como partículas, conhecidas como fótons. O efeito fotoelétrico consiste na ejeção de elétrons da superfície de algum material iluminado que é exposta a uma fonte luminosa de certa frequência. O efeito fotoelétrico foi explicado por Albert Einstein e é mundialmente utilizado para produção de energia elétrica por meio da energia solar.
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O efeito fotoelétrico foi descoberto por Heinrich Hertz, durante seus experimentos relacionados à produção e captação de ondas eletromagnéticas. Em 1886, Hertz conduzia seus experimentos com chapas metálicas quando percebeu que a incidência da luz ultravioleta resultava em maior produção de faíscas. A explicação teórica para o fenômeno, entretanto, só foi feita em 1905, pelo físico alemão Albert Einstein.
Os painéis solares produzem eletricidade por meio do efeito fotoelétrico.
O mecanismo do efeito fotoelétrico era controverso, uma vez que, de acordo com os conhecimentos do eletromagnetismo clássico, um corpo iluminado por uma fonte de luz deveria absorver toda energia luminosa irradiada sobre ele, no entanto, o efeito fotoelétrico só acontecia a partir de certa frequência, que variava de acordo com cada material.
Albert Einstein conseguiu interpretar o efeito fotoelétrico usando os argumentos matemáticos de Max Planck, generalizando-os. De acordo com a teoria da Planck, a radiação térmica é quantizada, isto é, apresenta valores de energia discretos. Segundo esse ponto de vista, a luz é formada por pequenos pacotes de energia, que mais tarde foram batizados como fótons.
Einstein assumiu que a hipótese de Planck fosse válida para todo tipo de radiação eletromagnética, desse modo, mostrou a todo o mundo que luz podia comportar-se como onda e como partícula.
Como funciona o efeito fotoelétrico?
O efeito fotoelétrico acontece quando os fótons que incidem sobre um material apresentam certa energia capaz de arrancar os elétrons desse material. Cada material necessita de uma quantidade específica de energia para ter seus elétrons ejetados, essa quantidade de energia é chamada de função trabalho.
A energia contida em um fóton é diretamente propocional à sua frequência, como é mostrado na fórmula a seguir:
E – energia armazenada no foton (eV)
h – constante de Planck (4,0.10-15 eV.s)
f – frequência do foton (Hz)
Essa energia é transferida para os elétrons do material na forma de energia cinética. Assim, caso a energia do fóton seja superior à energia que mantém o elétron preso no material, o elétron será ejetado, e sua energia cinética será numéricamente igual à diferença entre a energia contida no fóton e a função trabalho.
E – energia cinética do elétron ejetado
Φ – energia que mantém o elétron dentro do material
Experimento sobre o efeito fotoelétrico
O experimento que ressaltou o caráter quântico do efeito fotoelétrico é conhecido como experimento de Philipp Lenard, um dos assistentes de Heinrich Hertz. Lenard realizou uma série de experimentos e constatou que a intensidade da luz não afetava a energia com que os elétrons eram arrancados de placas metálicas, contradizendo a teoria vigente do eletromagnetismo, em 1903.
Pouco tempo depois, Egon Schweidler conseguiu provar experimentalmente que a energia cinética dos elétrons ejetados era diretamente proporcional à frequência da luz que iluminava as placas.
Os experimentos de Lenard eram feitos utilizando duas placas metálicas — uma placa emissora, iluminada por uma fonte de luz monocromática, e uma placa coletora, que servia para absorver os elétrons. A fim de detectar a absorção de elétrons pela placa coletora, ligava-se um amperímetro em série com as duas placas, além disso, havia uma variação do experimento em que uma bateria era ligada às placas.
A função da bateria era criar um campo elétrico entre as placas que pudesse frear os elétrons; ajustando-se à tensão elétrica, era possível descobrir-se o valor da energia cinética de cada elétron ejetado.
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Exemplos do efeito fotoelétrico
O efeito fotoelétrico é utilizado em diversas tecnologias presentes no cotidiano, vamos conferir alguns exemplos:
Detectores de lumonosidade: os relés são dispositivos que captam a luminosidade. A luz promove a ejeção de elétrons de um material fotoelétrico, então, um circuito é acionado para que a iluminação externa acenda.
Células fotovoltaicas: são as unidades geradoras de corrente elétrica nos painéis solares. Essas células são feitas de materiais semicondutores, que produzem eletricidade quando iluminados pela luz solar.
Exercícios sobre o efeito fotoelétrico
Questão 1) (UEMG) Leia o trecho a seguir:
O efeito fotoelétrico foi descoberto em 1886 pelo físico alemão Heinrich Hertz (1857-1894). Na ocasião, Hertz percebeu que a incidência da luz ultravioleta em chapas metálicas auxiliava a produção de faíscas. A explicação teórica para o efeito fotoelétrico, entretanto, só foi apresentada pelo físico alemão Albert Einstein em 1905.
A dúvida que existia na época estava relacionada com a energia cinética dos elétrons que eram ejetados do metal: essa grandeza não dependia do(a) __________ da luz incidente. Einstein percebeu que o agente responsável pela ejeção de cada elétron era um único fóton, uma partícula de luz que transferia aos elétrons uma parte de sua energia, ejetando-o do material, desde que seu(sua) __________ fosse grande o suficiente para tal.
Disponível em: https://brasilescola.uol.com.br/o-que-e/fisica/o-que-e-efeito-fotoeletrico.htm. Acesso: 11 dez. 2018. (Fragmento: Adaptado).
a) frequência – comprimento de onda
b) comprimento de onda – intensidade
c) intensidade – frequência
d) comprimento de onda – frequência
No efeito fotoelétrico, a intensidade da luz não afeta a energia cinética dos elétrons ejetados, além disso, essas partículas somente são ejetadas do material se a luz incidente tiver uma frequência mínima para vencer a função trabalho do material, logo, a alternativa correta é a letra C.
Questão 2) (UFU) A natureza da luz é um assunto que tem estado presente nas discussões de cientistas e filósofos há séculos, principalmente a partir da possibilidade de aplicação de fenômenos luminosos por comportamentos tanto ondulatórios quanto corpusculares. Segundo o princípio da complementaridade, proposto por Niels Bohr em 1928, a descrição ondulatória da luz é complementar à descrição corpuscular, mas não se usa as duas descrições simultaneamente para descrever um determinado fenômeno luminoso. Desse modo, fenômenos luminosos envolvendo a propagação, a emissão e a absorção da luz são explicados ora considerando a natureza ondulatória, ora considerando a natureza corpuscular.
Assinale a alternativa que apresenta um fenômeno luminoso mais bem explicado, considerando-se a natureza corpuscular da luz:
a) Espalhamento da luz ao atravessar uma fenda estreita.
b) Interferência luminosa quando feixes luminosos de fontes diferentes se encontram.
c) Mudança de direção de propagação da luz ao passar de um meio transparente para outro.
d) Absorção de luz com emissão de elétrons por uma placa metálica.
O efeito fotoelétrico ocorre quando um fóton apresenta uma frequência mínima e, portanto, uma energia mínima, necessária para arrancar elétrons de uma placa metálica. Assim, a alternativa que descreve um fenômeno corpuscular da luz é a letra D.