Efeito fotoelétrico

O efeito fotoelétrico é um bom exemplo da incompatibilidade dos resultados experimentais com a teoria eletromagnética proposta por Maxwell.

Resumidamente, é o fenômeno no qual ocorre a emissão de elétrons de uma superfície metálica ao ser exposta à radiação eletromagnética.

Heinrich Hertz foi um dos primeiros cientistas a observar esse fenômeno. Ele utilizou um dispositivo que gerava faíscas, constituído por dois circuitos: um para gerar ondas e outro para detectá-las, separados por certa distância. Tratava-se, basicamente, de um equipamento com duas placas metálicas conectadas em potenciais diferentes, onde ocorriam descargas elétricas.

Acidentalmente, Hertz verificou que as faíscas da placa geradora produziam faíscas na placa receptora. Após novas tentativas, concluiu que a luz era capaz de gerar faíscas e que o fenômeno era observado apenas com a luz ultravioleta.

O experimento de Hertz serviu para confirmar a existência das ondas eletromagnéticas e a teoria de Maxwell sobre a propagação da luz, uma vez que o cientista conseguiu produzir ondas eletromagnéticas, hoje conhecidas como micro-ondas. A novidade foi o efeito da luz ultravioleta na descarga elétrica, visto que esse fato ainda não tinha explicação.

Em 1889, Wilhelm Hallwachs mostrou que, ao serem iluminadas com radiação ultravioleta, as superfícies metálicas como o zinco, o potássio e o sódio, ejetavam partículas de carga negativa. Nessa época, ainda não se tinha conhecimento sobre a existência do elétron, que só foi descoberto em 1897.

Philipp von Lenard, assim como Thomson, também mediu a relação carga/massa das partículas ejetadas e deduziu que o aumento de faíscas que Hertz havia observado era resultado da emissão de elétrons, aos quais deu o nome de fotoelétrons.

Na figura abaixo, tem-se a ilustração de um aparelho que possibilita observarmos o efeito fotoelétrico:

No aparato experimental acima, certa luz com frequência f ilumina uma superfície metálica no interior de um tubo mantido a vácuo, e elétrons são emitidos dessa superfície. As duas placas são mantidas a uma diferença de potencial V. Caso os elétrons emitidos possuam energia suficiente para atingir o coletor, serão capturados, e isso será observado na forma de uma corrente elétrica i, que é registrada no amperímetro A. A frequência f, a intensidade I da luz, a diferença de potencial V e o material do emissor podem variar.

Os resultados experimentais obtidos nesse experimento estão listados abaixo:

• A corrente elétrica medida no amperímetro surge quase instantaneamente ao processo de iluminação da superfície emissora, mesmo que a luz incidente tenha baixa intensidade. O atraso entre o tempo de iluminação e o surgimento da corrente elétrica é da ordem de 10^-9 s e independe da intensidade da luz incidente.
• Se fixarmos a frequência e a ddp, a corrente elétrica será diretamente proporcional à intensidade da luz incidente.
• Se fixarmos a frequência e a intensidade da luz incidente, a corrente irá descrescer à medida que a ddp aumentar. A corrente elétrica cessa para determinado valor de V, denominado potencial elétrico de frenagem ou potencial elétrico de corte, V₀, que independe da intensidade da luz incidente.
• Para certo material emissor, o potencial de frenagem varia linearmente com a frequência, de acordo com a equação:

  

  Onde w₀ é uma constante denominada função trabalho, sendo, portanto, função do material. Lembrando que h é a constante de Planck, cujo valor é h = 6,63x10^-34 Js, e e é a carga do elétron (e = 1,6x10^-19 C).

• Para cada material, existe uma frequência de corte ou limiar de frequência, abaixo da qual os elétrons não são emitidos, não importando a intensidade da luz incidente.