Quantum

O Efeito Fotoelétrico

De acordo com o modelo atômico de Bohr, é necessário prover os elétrons com energia na forma de radiação eletromagnética para que eles se movam para orbitais de maior energia. No entanto, se um elétron absorve uma onda de alta frequência (e consequentemente energia), algumas vezes essa energia é suficiente para que o elétron abandone o átomo completamente. Esse fenômeno, quando elétrons se libertam dos orbitais de um átomo, é chamado de efeito fotoelétrico.

Imaginemos um experimento onde alguém acerta um feixe de luz em elétrons num átomo, fazendo com que alguns elétrons se libertem dos orbitais do átomo e se tornem fotoelétrons. A física clássica estabelece que a energia dos fotoelétrons depende da intensidade da luz, uma vez que ela assume que quanto mais alta a intensidade da radiação (isto é, quanta mais brilho), maior a energia da onda eletromagnética que é absorvida pelo elétron. Apesar disso, essa dependência não foi observada. Foi experimentalmente provado que a energia do elétron emitido depende puramente da frequência da radiação. Além disso, a existência da chamada frequência limite foi observada. Se um átomo é provido com luz que tem frequência menor do que a frequência limite, nenhum elétron é liberto, independente da intensidade da radiação. A física clássica não é capaz de explicar esse fenômeno.

O experimento de Young apresenta uma evidência muito convincente de que a luz é uma onda. Porém, para explicar o efeito fotoelétrico, precisamos entender a luz como uma partícula. Elétrons não absorvem ondas eletromagnéticas como predito pela mecânica clássica. Eles absorvem partículas de luz, chamadas fótons. Fótons são idênticos a energia quanta que Planck propôs para resolver o problema com a radiação de corpo negro. Einstein, por outro lado, foi o primeiro a perceber a natureza de partícula desses quanta, e foi ele que conseguiu esclarecer o efeito fotoelétrico.

Se entendermos a luz como uma corrente de partículas, o efeito fotoelétrico pode ser explicado facilmente. Aumentar a intensidade da radiação aumenta o número de fótons (quanta) em uma onda eletromagnética, mas os fótons individuais ainda carregam a mesma quantidade de energia. Isso quer dizer que se é usada uma luz mais intensa, a energia dos fotoelétrons continua inalterada, uma vez que elétrons podem absorver apenas um fóton, de acordo com a terceira regra de Bohr. Porém, ao aumentar a intensidade da luz, o número de elétrons emitidos (fotoelétrons) aumenta, já que agora existem mais fótons na onda eletromagnética para serem absorvidos.

Se quiséssemos aumentar a energia dos fotoelétrons, teríamos que aumentar a energia individual dos fótons. Poderíamos conseguir isso aumentando a frequência da radiação, o que é óbvio da equação de Planck E = h • f (E é a energia do fóton). A mecânica quântica também consegue explicar a frequência limite. Fótons individuais de radiação de baixa frequência simplesmente não têm energia suficiente para libertar um elétron. Assim, o efeito fotoelétrico não acontece.

Albert Einstein também nos deu a equação para calcular o momento de um foton (λ é o comprimento de onda da onda eletromagnética na qual o foton se localiza):

Quando um elétron absorve um fóton, ele obtém toda a sua energia. Parte dessa energia é, então, usada para desprender o elétron do átomo (o elétron deve alcançar W), o resto da energia é convertida em energia cinética do elétron. A energia de um fotoelétron pode ser, dessa forma, calculada usando a seguinte equação:

Gráfico mostrando a energia de um fotoelétron em relação a frequência da luz que ele absorve. O círculo roxo mostra a frequência limite.

Enquanto o experimento de Young demonstra convincentemente natureza de onda da luz, o efeito fotoelétrico vê a luz como uma corrente de partículas. Assim, a radiação eletromagnética tem natureza dupla. Tem a natureza de onda e de partícula ao mesmo tempo.