Efeito Fotoelétrico


Descrição dos resultados experimentais

Explicação teórica

Atividades

Como usar este Applet

Descrição dos resultados experimentais

A emissão de elétrons por metais iluminados com luz de determinada freqüência foi observada no final do século XIX por Hertz e Hallwachs. O processo pelo qual elétrons são liberados de um material pela ação da radiação se denomina efeito fotoelétrico. Suas características essenciais são as seguintes:

(1) Para cada metal, existe uma freqüência mínima da radiação eletromagnética abaixo da qual não são produzidos fotoelétrons, por mais intensa que seja a radiação;

(2) A emissão eletrônica aumenta quando se aumenta a intensidade da radiação que incide sobre a superfície do metal, ou seja, o número de fotoelétrons aumenta com o aumento da intensidade da radiação;

(3) A energia dos fotoelétrons depende da freqüência da radiação incidente, não dependendo da intensidade desta.


O que é feito no experimento:

Quando a superfície de um metal A é irradiada com luz de uma certa freqüência, fotoelétrons são emitidos. Estes elétrons, então, são coletados por uma placa C e uma corrente fotoelétrica é registrada pelo amperímetro. Vamos supor que seja aplicado um potencial negativo à placa C, e que se vá aumentando este potencial, até que seja encontrado um valor V0 , para o qual todos os fotoelétrons são freados, antes que eles encontrem esta placa. Assim, o potencial V0 é o chamado potencial de freamento, que faz com que a corrente fotoelétrica se anule. Se um elétron com uma energia cinética K é freado pelo potencial V0 , então K= e V0, no caso os elétrons apenas chegam até bem próximo da placa coletora C. Isto é, eV0 é a energia cinética máxima dos elétrons ejetados da placa A.


Explicação teórica

Em 1905, Einstein explicou os resultados experimentais do efeito fotoelétrico, estendendo a hipótese, introduzida em 1900 por Planck, de quantização da energia da radiação eletromagnética- a luz é composta por quanta ou fótons. Ele propôs que quando um fóton interage com a matéria comporta-se como uma partícula e cede toda sua energia a um elétron individual.

Explicação do item (1) dos resultados experimentais: A ocorrência de uma freqüência mínima, ou de uma energia mínima, é devido ao fato que uma certa energia deve ser suprida ao elétron a fim de removê-lo da superfície do material. Além disso, diferentes materiais têm diferentes valores desta energia mínima.

Explicação do item (2) dos resultados experimentais:De acordo com Einstein, a energia cinética de um fotoelétron deve ser a diferença entre a energia do fóton incidente e a energia mínima necessária para remover o elétron do material - chamada de função trabalho do material f. Isto é,

(Energia cinética do elétron) = (Energia do fóton) - (Função trabalho do metal)

K = hn - f ,

onde n é a freqüência do fóton.

Explicação do item (3) dos resultados experimentais: podemos observar que a intensidade da luz é proporcional à energia total que transporta, e por conseguinte ao número de fótons (pois o número de fótons será dado pela energia total dividida pela energia de cada fóton), o que explica porque a fotocorrente é diretamente proporcional à intensidade da luz.


Atividades

Neste programa é simulado um experimento de efeito fotoelétrico, onde supomos dispor:

(i) de um conjunto de lâmpadas que emitem luz de diversas freqüências, e

(ii) de placas de vários metais, que irão ser iluminadas pela luz que é emitida por essas lâmpadas.

Objetivos do experimento:

(a) Determinação da energia mínima necessária para arrancar elétrons de um metal, a função trabalho do metal f , bem como a correpondente freqüência mínima;

(b) Determinação da constante de Planck, h.

Como usar este Applet

(I)
Selecionar Archivo/Nuevo para escolher o metal com o qual será realizado o experimento..

(II)
Selecionar Archivo/Luz para escolher a lâmpada (comprimento de onda) que iluminará a placa metálica. O comprimento de onda, l, é dado em Angstrom.

Se não ocorrer emissão, selecionar Archivo/Luz novamente para escolher outra lâmpada cuja linha de emissão seja de comprimento de onda menor (ou seja, de maior freqüência).

Se ocorrer emissão, clicar no botão . O campo elétrico frea o elétron e eventualmente o faz voltar à placa metálica A, caso a energia cinética do elétron não seja suficiente.

Utililizar o controle para modificar o potencial variável da bateria, até que o elétron apenas consiga chegar até a placa oposta C, no momento em que o amperímetro deixa de marcar a passagem de corrente. Se diminuirmos o potencial variável da bateria (clicando na flecha para baixo, variação de 0,05 nos valores, ou escrevendo no controle um valor menor do potencial, variação de 0,01), o amperímetro passa a marcar a passagem de corrente elétrica.

(III)
Encontrado o valor do potencial de parada V0 , este valor do potencial da bateria deve ser guardado, como também deve ser guardado o comprimento de onda do fóton utilizado. Estes dois valores são guardados na caixa de dados (situada à esquerda da janela). Para tal, clicamos no botão Dados.


(IV)
Repetir o experimento (3 a 5 vezes), selecionando Archivo/Luz para escolher outra lâmpada (outro comprimento de onda) que iluminará a placa metálica.

(V)
Não deixe de verificar que a corrente de fotoelétrons aumenta com o aumento da intensidade da radiação eletromagnética incidente no material, isto acontece porque a uma radiação de maior intensidade corresponde um maior número de fótons, e maior número de fótons arranca um maior número de fotoelétrons da superfície metálica. Para tal, altere a intensidade da luz, alterando a posição do cursor do controle, o amperímetro acusará uma corrente diferente. Refaz o último passo do experimento, para verificar que a intensidade não influencia o potencial de freamento.

(VI)
Quando tivermos guardado vários pares de dados na caixa de dados, selecionamos Gráfica para mostrar o gráfico dos dados experimentais, bem como a reta de regressão que melhor ajusta os dados obtidos no experimento.


A partir do gráfico, obter:

(1) a função trabalho do material f,

(2) a constante de Planck, h e

(3) também a freqüência mínima f0 do fóton que arranca elétrons da superfície metálica escolhida (o valor da freqüência onde a reta corta o eixo d as freqüências).

Lembrar que a carga do elétron e quando multiplicada pela unidade de potencial elético Volt, eV, é uma unidade de energia denominada de elétron Volt. Está faltando acrescentar para os valores da freqüência no gráfico (1014 Hz), onde a unidade Hz = s-1.

É aconselhado ao aluno traçar o seu próprio gráfico num papel milimetrado e determinar a melhor reta que ajusta os seus dados.



Caso você queira testar seus conhecimentos sobre o Efeito Fotoelétrico, clique em questionário1 e depois em questionário2. Nos próprios questionários você poderá verificar seu escore após responder as perguntas.




Texto adaptado pela profa. Rejane M. Ribeiro Teixeira
(tendo como referência General Physics with Bioscience Essays, J. Marion e Física III, Allonso e Finn),
Departamento de Física, UFRGS.

O Applet foi criado pelo prof. Angel Franco Garcia
, professor do Departamento de Física Aplicada I, E.U.I.T.I.-Eibar, Universidade do País Basco.