O efeito fotoelétrico foi descrito pelo cientista Albert Einstein no século XX, mas já era estudado desde o fim do século XIX. Por meio dele, foi possível entender que luz pode se comportar como uma partícula, carregando energia, por exemplo.
Neste artigo você encontra as principais características do efeito fotoelétrico, a história de sua descoberta e como ele é utilizado nos dias atuais. Além disso, conheça conceitos importantes sobre o tema, como a constante de Planck, a fórmula matemática que demonstra o efeito, e muito mais. Vamos lá?
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O que é efeito fotoelétrico?
Efeito fotoelétrico é o nome dado para o um fenômeno da física e química quântica, em que a luz não assume as características eletromagnéticas clássicas. Nesse efeito, ela atua como partícula e pode interferir no material em que incide, favorecendo um trânsito de elétrons.
As partículas emitidas pela luz são chamadas de fótons e, a depender da frequência da luz e do conteúdo em que ela ilumina, elas são capazes de arrancar elétrons do material iluminado. Isso significa que os fótons possuem uma energia capaz de movimentar partículas em um meio.
Quando um raio de luz se direciona para um material, o fóton pode emitir sua energia e ser capaz de gerar energia cinética para o trânsito eletrônico. Mas, como foi mencionado anteriormente, isso só acontece quando a frequência do fóton (em Hertz) está ajustada para o necessário naquele material — entenda melhor no tópico a seguir.
Fórmulas do efeito fotoelétrico
Ao perceber que uma frequência luminosa específica é quem determina a liberação ou não de elétrons, foi descoberto que existe uma função trabalho do efeito fotoelétrico. Essa função trabalho representa a quantidade de energia necessária para que os elétrons sejam arrancados.
Conforme esses conceitos, é possível reconhecer que a energia liberada pelo fóton deve superar a energia que contém o elétron dentro do material. Com toda a energia do efeito fotoelétrico será convertida em energia cinética para os elétrons ejetados, então, é possível assumir que:
(Energia liberada pelo fóton) — (energia que “segura” o elétron no material) = energia que cinética do elétron
Para entender esses valores, foi criada a fórmula que relaciona a frequência da luz, a energia armazenada no fóton é uma constante criada pelo físico alemão Max Karl Ernst Ludwig Planck, veja:
E = h.f
E = energia armazenada no fóton (medida em elétron-Volt)
h = constante de Planck (4.10-15 elétron-Volt.s)
f = frequência do fóton (em Hertz)
Diante disso, se um material precisa de 2.10-13 eV de energia do fóton para que os elétrons sejam arrancados, qual seria a frequência da luz para desenvolver o efeito fotoelétrico?
E = h.f
E = 2.10-13 eV
h = 4.10-15
f = ?
2.10-13 = 4.10-15 . f
0,5.10-13 = 10-13. 10-2. f
0,5 = 10-2 . f
0,5.102 = f
50 Hz = f
Histórico do efeito fotoelétrico
O primeiro cientista a descobrir o efeito fotoelétrico foi o alemão Heinrich Hertz, na década de 80 do século XIX. Suas conclusões foram baseadas na observação da incidência de luz sobre diferentes objetos — em chapas metálicas, ele notou que a iluminação poderia ser responsável pela geração de faíscas e fagulhas.
A primeira ideia formulada para explicar o fenômeno se relacionava com a intensidade da luz que incidia sobre o material. Apesar disso, diferentes experimentos provaram que a intensidade de luminosidade não alterava o curso do efeito.
No ano de 1900, o cientista Planck desenvolveu uma teoria que explicava que a irradiação de luz a partir de corpos negros, que é conhecida como Teoria de Planck. Ele concluiu que a radiação poderia ser emitida ou absorvida a partir de pequenos pacotes de energia — uma inovação para as ideias científicas do momento, que acreditavam que a energia transitava de maneira contínua.
A construção e explicação mais concisas para o efeito fotoelétrico foram desenvolvidas, então, por Albert Einstein em 1905. Ao unir os conhecimentos de Planck e Hertz, ele compreendeu que os “pacotinhos de luz” eram os fótons, que seriam capazes de transferir energia para os elétrons.
Utilidades do efeito fotoelétrico
O estudo do efeito fotoelétrico foi importante para o desenvolvimento de uma fonte de energia sustentável, que é a energia solar. Por meio de placas, chamadas de células fotovoltaicas, é possível captar a energia do sol, armazená-la e utilizá-la como energia elétrica.
Em países tropicais, como o Brasil, esse tipo de energia pode ser muito bem aproveitado, pela intensa luminosidade e dias longos. Inclusive, é uma ótima alternativa para evitar a poluição ou danos ao meio ambiente causados por outras fontes de energia, como a hidrelétrica e a térmica.
Outro uso comum do efeito fotoelétrico está nas iluminações urbanas. Em muitas cidades, as lâmpadas dos postes são construídas para captarem a energia solar, que passa por um circuito e gera iluminação no período noturno.
Uma utilidade cotidiana desse fenômeno está em calculadoras e outros dispositivos eletrônicos que possuem pequenas placas de captação da luz. Por meio delas, é gerada energia para o funcionamento do aparelho, como uma alternativa às pilhas, por exemplo.
Questão de vestibular
(UFC – 2002) A função trabalho de um dado metal é 2,5 eV.
a) Verifique se ocorre emissão fotoelétrica quando sobre esse metal incide luz de comprimento de onda λ = 6,0×10-7 m. A constante de Planck é h ≈ 4,2×10-15 eV∙s e a velocidade da luz no vácuo é c = 3,0×108 m/s.
Para responder essa questão, é necessário lançar mão dos conhecimentos de ondulatória e também sobre efeito fotoelétrico.
A fórmula para encontrar a frequência do fóton surge do estudo das ondas: v = λ.f → f = v/λ. Considera-se que v=velocidade da luz no vácuo, ou seja, v = c.
f = v/λ
f = c/λ
f = 3,0.108/6,0.10-7
f = 0,5.108/10-7
f = 0,5.1015
f = 5.1014
Se a função trabalho é de 2,5 eV, devemos encontrar o valor de energia gerado pela frequência f e se ele é maior que 2,5 eV.
E = h.f
E = 4,2.10-15.5.1014
E = 21.10-1
E = 2,1 eV → 2,1 é menor que 2,5, logo não haverá emissão fotoelétrica quando o comprimento de onda for igual ao fornecido no enunciado.
b) Qual é a frequência mais baixa da luz incidente capaz de arrancar elétrons do metal?
Considerando a função trabalho do material, para calcular a frequência mais baixa será aquela que fornece exatamente 2,5 eV:
2,5 = h.f
2,5 = 4,2.10-15.f
2,5 = 4,2.10-15.f
0,6.1015 ≈ f
6.1014 ≈ f
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