Efeito Fotoeletrico

A natureza quântica da luz e a quantização da energia foram sugeridas por Albert Einstein em 1905, em sua explicação sobre o efeito fotoelétrico. O trabalho de Einstein marcou o inicio da teoria quântica. Devido a este importante trabalho, Einstein recebeu o Prêmio Nobel de física em 1921. A figura 01 mostra um diagrama esquemático do aparato básico para se estudar o efeito fotoelétrico, no qual a luz monocromática entra em uma câmara de vácuo e incide sobre uma superfície C (C para catodo), causando a emissão de elétrons. Alguns desses elétrons atingem uma segunda placa metálica A (A para anodo), constituindo uma corrente elétrica entre as placas. A placa A é carregada negativamente, assim os elétrons são emitido repelidos por ela. Só os elétrons mais energéticos conseguem alcançá-la. A energia cinética máxima dos elétrons emitidos é medida aumentando-se a voltagem lentamente até a corrente se anular. As experiências realizadas levantaram ao resultado surpreendente de que a energia cinética máxima dos elétrons emitidos é independente da intensidade da luz incidente.

Pela teoria clássica, esperar-se-ia que aumentando a taxa de incidência da luz sobre a superfície metálica a energia absorvida por cada elétron aumentaria e, então, aumentaria também a energia cinética máxima emitida pelos elétrons. No entanto, experimentalmente isso não ocorre. A energia cinética máxima dos elétrons emitidos é a mesma para um determinado comprimento de onda de luz incidente, não importando a intensidade da luz. Einstein demonstrou que esse resultado experimental poderia ser explicado se a energia fosse quantizada em pequenos pacotes chamados fótons. A energia E de cada fóton é dado por:( Energia é igual ao produto ente a constante de Planckh e a frequencia f, que é igual a constante de Planck h vezes a velocidade da luz dividido pelo comprimento de onda lambda).
No modelo proposto, um feixe de luz é constituído por um feixe de partículas -os fótons-, cada qual com a energia hf. A intensidade do feixe de luz (potência por unidade de área) do feixe monocromático é o número de fótons por unidade de área e por unidade de tempo vezes a energia de cada fóton. A interação do feixe de luz com a superfície de metal consiste em colisões entre os fótons e os elétrons. Nessas colisões, os fótons desaparecem, cada qual cedendo toda a sua energia a um elétron. Assim, o elétron emitido pela superfície metálica exposta à luz recebe a energia de um único fóton. Se a intensidade da luz for aumenta, mais fótons incidirão sobre a superfície por unidade de tempo e mais elétrons serão arrancados do metal. Porém, cada fóton terá a mesma energia hf, assim a energia absorvida por cada elétron não se altera.
Se "phi" for à energia mínima necessária para remover um elétron da superfície metálica, a energia cinética máxima dos elétrons emitidos é dada por:
(Energia cinetica maxima é igual a massa vezes a velocidade ao qudrado dividido por dois que é igual a hf menos "phi", onde "phi" é denominada a função trabalho, é uma característica de um dado metal (Alguns elétrons terão energia menor do que hf menos "phi", pois perdem energia ao se deslocarem pelo metal).
De acordo com a equação de Einstein do efeito fotoelétrico, o gráfico da Energia cinética maxima em função da freqüência f deveria ser uma linha reta com o coeficiente angular h. Esta era um previsão audaciosa, porque na ocasião não havia evidencias da aplicação da constante de Planck fora do contexto da radiação do corpo negro. Além disso, não havia dados experimentais da variação da Energia cinética maxima em função da freqüência f, porque ninguém antes havia suspeitado que a freqüência da luz estivesse relacionada com a Energia cinética maxima.