Efeito fotoelétrico

O efeito fotoelétrico compreende-se melhor tratando a luz como pacotes de energia. Cada fotão transporta uma energia E = hf. Um eletrão só consegue abandonar uma superfície se um único fotão fornecer pelo menos a função trabalho desse material.

Primeiro o limiar; depois, a intensidade

hf = φ + K_max

φ é a função trabalho e K_max é a energia cinética máxima dos eletrões emitidos.

Abaixo da frequência limiar f₀ = φ/h, aumentar a intensidade não ejeta eletrões. Acima do limiar, uma intensidade maior aumenta sobretudo o número de fotões que chegam por segundo e, portanto, a taxa de emissão; uma frequência maior aumenta a energia disponível para cada eletrão emitido.

No modelo básico, um fotão interage com um eletrão. A frequência determina a energia de cada fotão; a intensidade determina quantos fotões chegam.

O potencial de paragem mede a energia dos eletrões

Pode aplicar-se uma tensão inversa para travar até os fotoeletrões mais rápidos. No potencial de paragem V_s, eV_s = K_max. O gráfico de V_s em função da frequência é uma reta cujo ponto de interceção permite determinar o limiar.

Explorador do limiar

Energia do fotão (eV) Função trabalho (eV)

À esquerda do limiar não há emissão. Acima dele, a energia máxima dos eletrões aumenta linearmente com a frequência.

O que a experiência demonstrou

A emissão imediata e a existência de uma frequência limiar não se explicam distribuindo simplesmente a energia da onda de forma contínua pela superfície. O modelo dos fotões explica ambos os factos sem exigir um tempo de espera. Isto não significa que a luz tenha deixado de se comportar como onda: a interferência e a difração continuam a ser provas essenciais do comportamento ondulatório.

Interpretar corretamente as grandezas

Não se deve confundir a energia de um fotão com a potência do feixe. Um feixe intenso de baixa frequência pode fornecer muita energia por segundo, embora cada fotão permaneça abaixo do limiar. Inversamente, um feixe fraco de alta frequência pode ejetar poucos eletrões, mas esses eletrões podem adquirir uma energia cinética considerável.

Exemplos resolvidos

1. Determinar o comprimento de onda limiar

Solução

Para φ = 2,5 eV, λ₀ = hc/φ ≈ 1240/2,5 = 496 nm.

2. Energia cinética máxima

Solução

Fotões de 4,2 eV incidem numa superfície com φ = 2,0 eV. K_max = 4,2 − 2,0 = 2,2 eV.

3. Potencial de paragem

Solução

Se K_max = 1,6 eV, um eletrão é travado por cerca de 1,6 V porque eV_s = K_max.