Texto: Efeito Fotoelétrico

Efeito Fotoelétrico

No final do séc. XIX, Heinrich Hertz, físico alemão, observou que, sob certas circunstâncias, alguns materiais, sobretudo metais, emitiam elétrons quando se incidia sobre eles uma radiação eletromagnética, como, por exemplo, a luz. Tal fenômeno passou a ser conhecido pelo nome de efeito fotoelétrico.


Energia de uma Onda Eletromagnética

No início do século XX, Marx Planck propôs e, em seguida, Albert Einstein confirmou que as ondas eletromagnéticas transportam energia de forma descontínua em pequenos “pacotes”, chamados fótons. Cada fóton contém uma quantidade discreta de energia, que é dada por #E=h.f#, em que h é uma constante, conhecida por constante de Planck.
 
#h={{6,6.10}^{-34}}J.s#  ou #h={{4,1.10}^{-15}}eV.s#, em que 1eV é a quantidade de energia adquirida por um corpo de carga igual a de um elétron ao ser acelerado por uma ddp de 1V. #1eV={{1,6.10}^{-19}}J#
 
 
Observe que a energia dos fótons de luz cresce com a frequência, no sentido do vermelho para o violeta.
 

Função Trabalho (w)

É a menor quantidade de energia que deve ser dada a um elétron para que este possa ser arrancado de seu átomo. Os metais, em geral, possuem uma função trabalho bastante pequena, sendo relativamente fácil arrancar seus elétrons de último orbital. Quando uma onda eletromagnética incide sobre um material qualquer, fótons colidem com elétrons, transferindo sua energia a eles. 
 
A energia de cada fóton é dada por #E=h.f#
  • Se tal quantidade de energia é menor que a função trabalho, o elétron excita-se e devolve o excesso de energia sob a forma de outro fóton, ou seja, nada acontece.
     
  • Se a quantidade de energia é maior que a função trabalho, então ele é arrancado do átomo, dando origem ao efeito fotoelétrico.
Se #E<\omega #=> não acontece efeito foto elétrico
 
Se #E>\omega #=> ocorre o efeito foto elétrico.
 
Se #E>\omega #, existirá uma sobra de energia, que é transformada em energia cinética para o elétron.
 
#{{E}_{Cinetica}}=E-\omega \,\,\,ou\,\,\,{{E}_{Cinetica}}=h.f-\omega #
 
A energia cinética de um elétron é proporcional à frequência da radiação incidente.
 
Ao ser arrancado, o elétron pode permanecer na placa metálica, efeito fotoelétrico interno, ou sair dela, efeito fotoelétrico externo.
 
 
Observações Importantes:
  • Só pode ocorrer o efeito fotoelétrico se a energia do fóton incidente for maior que a função trabalho do metal.
  • Não acontecendo efeito fotoelétrico, não adianta nada: 
1- Aumentar a intensidade da radiação

2- Aumentar o tempo de exposição à luz
  • Não havendo efeito fotoelétrico, deve-se trocar a radiação incidente por outra de maior frequência.
  • Havendo o efeito, o aumento da intensidade da radiação aumentará a quantidade de elétrons emitidos.
  • Havendo o efeito, o aumento da frequência da radiação aumentará a energia cinética dos fotoelétrons (elétrons emitidos).
  • O efeito fotoelétrico faz com que a placa metálica se eletrize positivamente, já que emite elétrons.
     

Aplicações práticas

 
Observe na foto aquele aparelho com forma de copo de sorvete na parte superior do poste, é uma fotocélula, dispositivo utilizado para ligar ou desligar algo quando há ou quando não há efeito fotoelétrico. Nesse caso, ela liga a iluminação pública quando não há efeito fotoelétrico, ou seja, à noite, e desliga quando há, de dia. Portas de elevador costumam ter fotocélulas de um dos lados e lâmpadas de infravermelho, para você não poder ver, do outro. Quando as portas estão sendo fechadas e algo se põe entre elas, o efeito fotoelétrico cessa e elas são abertas.
 
 
Exercícios Resolvidos
 
1 . UFRGS 2012. Em 1905, Einstein propôs uma teoria simples e revolucionária para explicar o efeito fotoelétrico, a qual considera que a luz é constituída por partículas sem massa, chamadas de fótons. Cada fóton carrega uma energia dada por #hf,# em que #h=4,1\times {{10}^{-15}}eV\cdot s# é a constante de Planck, e #f# é a frequência da luz. Einstein relacionou a energia cinética, #E,# com que o elétron emerge da superfície do material, à frequência da luz incidente sobre ele e à função trabalho, #W,# através da equação #E=hf-W.# A função trabalho #W# corresponde à energia necessária para um elétron ser ejetado do material. 
 
 
Em uma experiência realizada com os elementos Potássio (K), Chumbo (P b) e Platina (P t), deseja-se obter o efeito fotoelétrico, fazendo incidir radiação eletromagnética de mesma frequência sobre cada um desses elementos.

Dado que os valores da função trabalho para esses elementos são W K = 2,1 eV, W Pb = 4,1 eV e W Pt = 6,3 eV, é correto afirmar que o efeito fotoelétrico será observado, nos três elementos, na frequência:
 
a) #1,2\times {{10}^{14}}Hz.#
b) #3,1\times {{10}^{14}}Hz.#   
c) #5,4\times {{10}^{14}}Hz.#   
d) #1,0\times {{10}^{15}}Hz.#   
e) #1,6\times {{10}^{15}}Hz.#   
 
A maior função trabalho é a da platina, logo, uma frequência que possa gerar efeito fotoelétrico funcionaria para os outros.
 
#E=h.f#   #\omega =h.f#   #6,3={{4,1.10}^{-15}}.f#   #f={{1,54.10}^{15}}\,Hz#
           
Resposta: E.
 

Em Resumo

Quando um metal é atingido por luz, pode haver efeito fotoelétrico.
 
Esse efeito só pode ocorrer quando a frequência do fóton incidente é grande suficiente para que sua energia supere a função trabalho do metal.
 
Não havendo efeito fotoelétrico, a radiação deve ser trocada por outra de maior frequência.
 
O aumento na frequência da radiação faz com que a velocidade dos fotoelétrons aumente.
 
O aumento na intensidade da radiação faz aumentar o número de fotoelétrons.
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