Efeito fotoelétrico

Fonte: Yong P. Chen, PhD, Departamento de Física && Astronomia, Faculdade de Ciências, Universidade purdue, West Lafayette, IN

O efeito fotoelétrico refere-se à emissão de elétrons de um metal quando a luz está brilhando sobre ele. Para que os elétrons sejam libertados do metal, a frequência da luz precisa ser suficientemente alta para que os fótons na luz tenham energia suficiente. Essa energia é proporcional à frequência de luz. O efeito fotoelétrico forneceu a evidência experimental para o quântico de luz que é conhecido como fóton.

Este experimento demonstrará o efeito fotoelétrico usando um metal de zinco carregado sujeito a uma luz de lâmpada regular, ou luz ultravioleta (UV) com maior frequência e energia de fótons. A placa de zinco será conectada a um eletroscópio, um instrumento que pode ler a presença e a quantidade relativa de cargas. O experimento demonstrará que a luz UV, mas não a lâmpada regular, pode descarregar o zinco carregado negativamente ejetando seus elétrons em excesso. Nenhuma fonte de luz, no entanto, pode descarregar zinco carregado positivamente, consistente com o fato de que elétrons que são emitidos em efeito fotoelétrico.

Um metal contém muitos elétrons móveis. É relativamente fácil excitar esses elétrons, e se eles estão animados com energia suficiente, eles podem deixar o metal. Quando tal excitação é feita com luz, os elétrons ejetados são conhecidos como fotoelétrons e esse efeito é conhecido como efeito fotoelétrico. Observou-se que, para que isso aconteça, a frequência (f) da luz deve exceder algum limiar mínimo (f₀), ou equivalentemente, o comprimento de onda de luz (λ), que está relacionado com a frequência f por:

(com c ≈ 3x10⁸ m/s sendo a velocidade da luz) precisa estar abaixo de algum limiar (λ₀), ou seja, f > f₀ (λ < λ_{λ 0}). Caso contrário, se f < f₀ (λ > λ_{λ 0}), nenhum fotoeletrão emitido mesmo com intensa iluminação de luz.

Albert Einstein foi capaz de explicar essas observações usando o conceito de fótons, a quanta da luz. A luz consiste em muitos desses fótons semelhantes a partículas, e cada fóton tem energia:

com h ≈ 6.63x10^-34 Js, chamado de constante de Planck, que relaciona a frequência de luz à energia de fótons.

O processo microscópico do efeito fotoelétrico é que um fóton individual é absorvido pelo metal e sua energia é usada para excitar um elétron. O elétron será emitido do metal se a energia do fóton,

onde W é conhecido como a "função de trabalho" e representa a energia mínima necessária para libertar o elétron do metal. Se

mesmo que a luz seja intensa (o que significa que contém um grande número de fótons) e mesmo que a luz esteja acesa por muito tempo, nenhum fotoeletrônio será produzido, uma vez que os fótons individuais não têm energia suficiente para liberar elétrons.

A explicação de Einstein sobre o efeito fotoelétrico foi historicamente significativa, pois forneceu suporte fundamental para a teoria dos fótons (quanta de luz), que mostra que a luz pode se comportar como partículas, além de ondas eletromagnéticas, e possuir a natureza dupla de ondas de partículas.

Por exemplo, o metal de zinco (Zn) a ser usado neste experimento tem uma função de trabalho de W ≈ 4.3 eV (com 1 eV ≈ 1.6x10^-19 J). Isso significa que a frequência limiar para o efeito fotoelétrico para Zn será:

correspondente a um comprimento de onda limiar,

Para produzir fotoeletrons a partir de Zn, a luz deve ter uma frequência superior a f0 ≈ 1015 Hz, ou um comprimento de onda abaixo de λ₀ ≈ 300 nm. Tal comprimento de onda curto corresponde ao UV (já que a luz visível tem um comprimento de onda superior a ~ 400 nm, que corresponde à cor violeta).

Uma vez que um elétron carrega uma carga negativa, o efeito fotoelétrico removerá cargas negativas de um metal (efetivamente adicionando cargas positivas a ele). Se o metal estiver originalmente carregado negativamente, isso o tornará menos carregado. Se o metal estiver originalmente carregado positivamente, isso o tornará mais carregado. Tais efeitos serão estudados neste experimento.

1. Obtenha os componentes necessários para este experimento

1. Obtenha um eletroscópio(Figura 1),que é um dispositivo que monitora a carga na placa metálica conectada ao eletroscópio. Devido à força de repulsão de coulomb entre as cargas, a agulha dentro do eletroscópio desviará mais (ou menos) se houver mais (ou menos) cargas na placa, e não se moverá se não houver cargas.
2. Obtenha uma placa de metal de zinco. Use lixa para polir sua superfície (isso remove o óxido de zinco na superfície metálica e torna mais fácil perder elétrons através do efeito fotoelétrico).
3. Coloque a placa de zinco sobre e em contato direto com a parte superior do eletroscópio(Figura 1).
4. Obtenha uma fonte de luz UV, que tem um componente de comprimento de onda abaixo de 300nm e uma lâmpada regular fornecendo luz visível. Obtenha um óculos de sol com proteção UV.
5. Obtenha uma haste de acrílico e um pedaço de pele comumente usado para produzir cargas. Esfregar a haste com a pele adicionará elétrons à haste, tornando a haste carregada negativamente.

Figura 1: Diagrama mostrando um eletroscópio não carregado (a) e um carregado(b) (indicado pela deflexão da agulha), com uma placa metálica de zinco colocada e conectada à sua placa superior. (A situação cobrada para b é desenhada para cobranças positivas como exemplo. Uma observação semelhante vale para eletroscópio com carga negativa.

2. Efeitos fotoelétricos no zinco carregado negativamente

1. Esfregue a vara com as moscas-de-pele vezes. Isso fará com que a haste seja carregada negativamente.
2. Aproxime a haste da placa de zinco, sem tocá-la. Use outra mão para tocar brevemente a placa de zinco. Isso carregará a placa de zinco para ser carregada positivamente através da indução (a haste carregada negativamente atrai algumas cargas positivas da mão para o metal de zinco, e as cargas positivas permanecem no metal de zinco após seu contato com a mão ser removido). A agulha do eletroscópio deve desviar para indicar que a placa metálica, juntamente com todas as partes do eletroscópio ligadas a ela, está carregada(Figura 2a). Se necessário, repita os passos2.1 e 2.2 para adicionar mais cargas à placa.
3. Ligue a lâmpada visível e aproxime-a do eletroscópio para iluminar a placa de zinco(Figura 2b). Observe a resposta do eletroscópio.
4. Desligue a lâmpada normal e agora coloque o UV protegendo o óculos de sol. Ligue a luz UV e aproxime-a do eletroscópio. Brilhe a luz UV sobre o metal de zinco(Figura 2c). ATENÇÃO: Aponte a luz UV para longe dos olhos e evite olhar diretamente para a luz UV para proteger os olhos do UV. Observe a resposta do eletroscópio. Em seguida, desligue a luz UV.

Figura 2: Diagrama mostrando(a)carregar positivamente o metal de zinco pela haste carregada negativamente através da indução; e trazendo (b)luz regular da lâmpada e(c)luz UV para observar seus efeitos sobre o estado de carga do zinco, como monitorado pelo eletroscópio conectado a ele.

3. Efeitos fotoelétricos no zinco carregado positivamente

1. Esfregue a vara com a pele cinco vezes novamente. Isso fará com que a haste seja carregada negativamente.
2. Coloque a haste em contato direto com a placa de zinco e esfregue a haste na placa cinco vezes. Isso irá transferir algumas cargas negativas para o zinco, indicada pela deflexão da agulha do eletroscópio(Figura 3a).
3. Guarde a haste e não use a mão ou quaisquer outros objetos para tocar o metal de zinco.
4. Ligue a lâmpada regular (visível) e aproxime-a do eletroscópio para iluminar a placa de zinco(Figura 3b). Observe a resposta do eletroscópio.
5. Desligue a lâmpada regular e agora ligue a luz UV e aproxime-a do eletroscópio para iluminar a luz UV no metal de zinco(Figura 3c). ATENÇÃO:Aponte a luz UV para longe dos olhos e evite olhar diretamente para a luz UV para proteger os olhos do UV. Observe a resposta do eletroscópio. Em seguida, desligue a luz UV.

Figura 3: Diagrama mostrando(a)carregar negativamente o metal de zinco pela haste carregada negativamente através do contato direto; e trazendo (b)luz regular da lâmpada e(c)luz UV para observar seus efeitos sobre o estado de carga do zinco, como monitorado pelo eletroscópio conectado a ele.

Para as etapas 2.1-2.4, o eletroscópio permanece carregado (a agulha permanece desviada) tanto para a lâmpada regular quanto para a iluminação da luz UV(Figura 2b e 2c),indicando que a placa de zinco permanece positivamente carregada. Isso porque a placa de zinco carregada (que já perdeu alguns elétrons em primeiro lugar para se tornar positivamente carregada) perde ainda mais alguns fotoeletrões pela luz UV para torná-la ainda mais carregada positivamente. Neste caso, pode ser perceptível que a agulha do eletroscópio desvia um pouco mais na Figura 2c. A luz visível regular não altera as cargas positivas na placa de zinco e o eletroscópio permanece carregado também(Figura 2b).

Para as etapas 3.1-3.5, quando a placa de zinco é carregada negativamente, pode-se observar que a luz da lâmpada regular novamente não tem efeito sobre o eletroscópio (Figura 3b), enquanto a luz UV faz com que a agulha do eletroscópio desaba e retorne à posição não carregada sem deflexão, Figura 3c. Isso porque apenas os fótons de luz UV têm energia suficiente (acima da função de trabalho do zinco) para ejetar fotoeletrons, assim para descarregar o zinco que foi previamente carregado para ser negativo (com excesso de elétrons).

Neste experimento, usamos um eletroscópio para mostrar que a luz UV pode descarregar um metal de zinco carregado negativamente através do efeito fotoelétrico. Em contraste, uma amostra de zinco carregada positivamente (que já perdeu alguns elétrons) não será descarregada, nem uma luz visível (que não pode causar o efeito fotoelétrico) descarregará zinco negativo ou positivamente carregado.

O efeito fotoelétrico desempenhou papéis importantes no desenvolvimento da física quântica no^século XX, pois forneceu evidências experimentais de que a luz é feita de partículas que chamamos de fótons e quantary da energia leve proporcional à frequência da luz.

Na prática, o efeito fotoelétrico também tem sido usado para fazer vários dispositivos optoelétricos, como interruptores elétricos fotosensíveis - onde o bloqueio ou desbloqueio de um feixe de luz brilhando em um metal se desliga ou em uma corrente elétrica devido à ausência ou presença de fotoeletros. Isso é comumente usado em muitos sensores de posição mecânica (por exemplo, abrindo ou fechando uma porta que desbloqueia ou bloqueia um feixe de luz).