O Efeito Fotoelétrico

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o efeito fotoelétrico representou um grande desafio para o estudo deópticana última parte do século XIX. Ele desafiou a teoria ondulatória clássica da luz, que era a teoria predominante da época. Foi a solução para esse dilema da física que catapultou Einstein para a proeminência na comunidade física, o que lhe rendeu o Prêmio Nobel de 1921.

O que é o efeito fotoelétrico?

Anais da Física

Quando uma fonte de luz (ou, mais geralmente, radiação eletromagnética) incide sobre uma superfície metálica, a superfície pode emitir elétrons. Os elétrons emitidos dessa maneira são chamados de fotoelétrons (embora ainda sejam apenas elétrons). Isso está representado na imagem à direita.

Configurando o Efeito Fotoelétrico

Ao administrar um potencial de voltagem negativo (a caixa preta na imagem) ao coletor, é preciso mais energia para os elétrons completarem a jornada e iniciarem a corrente. O ponto em que nenhum elétron chega ao coletor é chamado de potencial de parada V_s , e pode ser usado para determinar a energia cinética máxima K_máximo dos elétrons (que têm carga eletrônica e ) usando a seguinte equação:

K_máximo = eV_s

A explicação clássica da onda

Função de trabalho phiPhi

Três previsões principais vêm desta explicação clássica:

1. A intensidade da radiação deve ter uma relação proporcional com a energia cinética máxima resultante.
2. O efeito fotoelétrico deve ocorrer para qualquer luz, independentemente da frequência ou comprimento de onda.
3. Deve haver um atraso da ordem de segundos entre o contato da radiação com o metal e a liberação inicial dos fotoelétrons.

O resultado experimental

1. A intensidade da fonte de luz não teve efeito sobre a energia cinética máxima dos fotoelétrons.
2. Abaixo de uma certa frequência, o efeito fotoelétrico não ocorre.
3. Não há atraso significativo (menos de 10^-9s) entre a ativação da fonte de luz e a emissão dos primeiros fotoelétrons.

Como você pode ver, esses três resultados são exatamente o oposto das previsões da teoria das ondas. Não apenas isso, mas todos os três são completamente contra-intuitivos. Por que a luz de baixa frequência não desencadearia o efeito fotoelétrico, uma vez que ainda carrega energia? Como os fotoelétrons são liberados tão rapidamente? E, talvez o mais curioso, por que adicionar mais intensidade não resulta em liberações de elétrons mais energéticas? Por que a teoria das ondas falha tão completamente neste caso quando funciona tão bem em tantas outras situações?

O ano maravilhoso de Einstein

Albert Einstein Anais da Física

Construindo em Max Planck de Radiação de corpo negro teoria, Einstein propôs que a energia da radiação não é continuamente distribuída sobre a frente de onda, mas está localizada em pequenos feixes (mais tarde chamados fótons ). A energia do fóton estaria associada à sua frequência ( n ), através de uma constante de proporcionalidade conhecida como constante de Planck ( h ), ou alternativamente, usando o comprimento de onda ( eu ) e a velocidade da luz ( c ):

E = hν = hc / eu

ou a equação do momento: p = h / eu

nf

Se, no entanto, houver excesso de energia, além Phi , no fóton, o excesso de energia é convertido em energia cinética do elétron:

K_máximo = hν - Phi

A energia cinética máxima resulta quando os elétrons menos ligados se libertam, mas e quanto aos mais firmemente ligados; Os em que há apenas energia suficiente no fóton para soltá-lo, mas a energia cinética que resulta em zero? Contexto K_máximo igual a zero para isso frequência de corte ( n_c ), Nós temos:

n_c = Phi / h

ou o comprimento de onda de corte: eu_c = hc / Phi

Depois de Einstein

Mais significativamente, o efeito fotoelétrico e a teoria do fóton que ele inspirou esmagaram a teoria ondulatória clássica da luz. Embora ninguém pudesse negar que a luz se comportava como uma onda, depois do primeiro artigo de Einstein, era inegável que também era uma partícula.