O efeito fotoelétrico foi essencial para o avanço da teoria quântica.
a) Descreva o experimento que revelou esse efeito.
b) Explique por que ele não podia ser explicado pela física clássica.
c) Relacione o efeito com a quantização de energia proposta por Planck e Einstein.
a) Descreva o experimento que revelou esse efeito.
b) Explique por que ele não podia ser explicado pela física clássica.
c) Relacione o efeito com a quantização de energia proposta por Planck e Einstein.
Passo 1
O enunciado pede três coisas sobre o efeito fotoelétrico:
a) descrever o experimento que o revelou;
b) explicar por que a física clássica não o explicava;
c) relacioná-lo à quantização de energia de Planck e à hipótese de fótons de Einstein.
a) descrever o experimento que o revelou;
b) explicar por que a física clássica não o explicava;
c) relacioná-lo à quantização de energia de Planck e à hipótese de fótons de Einstein.
Passo 2
No experimento clássico (iniciado por Hertz e aprofundado por Lenard), colocava-se um metal em uma câmara de vácuo e iluminava-se sua superfície com luz monocromática. Mediam-se a corrente de elétrons emitidos e o potencial de parada necessário para anular essa corrente. As observações principais foram: (i) existe uma frequência de corte
abaixo da qual não há emissão, mesmo aumentando a intensidade; (ii) acima de
, a energia cinética máxima dos elétrons é imediata e cresce com a frequência da luz; (iii) a corrente é proporcional à intensidade, mas a energia cinética não depende da intensidade.
Passo 3
Pela física clássica (modelo de onda), esperava-se que a energia fosse absorvida continuamente pelo metal, de modo que mesmo luz de baixa frequência acumulasse energia e arrancasse elétrons após certo tempo, e que a energia cinética final dependesse da intensidade. Porém o experimento mostrou que não há tempo de latência nem emissão abaixo de
e que a energia cinética é independente da intensidade, conflitanto com a previsão clássica.
Passo 4
Planck havia proposto quantização de energia nos osciladores do corpo negro,
. Einstein levou essa ideia ao campo da luz, sugerindo que ela consiste de “quanta” (fótons) com energia
. No efeito fotoelétrico cada fóton transfere energia
a um único elétron; parte dessa energia vence a função trabalho
do metal e o restante é sua energia cinética máxima:
Isso explica o limiar em
e a dependência linear de
com
.
Resposta
a) Experimento de Lenard: luz monocromática incide em metal em vácuo, mede-se corrente de elétrons e potencial de parada. Observa-se limiar de frequência, energia cinética imediata e proporcional à frequência, corrente proporcional à intensidade.
b) Porque o modelo de onda clássico prevê acúmulo de energia e dependência da intensidade, o que contraria o fato de não haver emissão abaixo de , nem retardo, nem variação de energia cinética com intensidade.
c) Com a quantização de Planck ( ) e a hipótese de fótons de Einstein, cada fóton de energia
dá início ao processo, vencendo a função trabalho
, restando
, o que concilia todas as observações.
b) Porque o modelo de onda clássico prevê acúmulo de energia e dependência da intensidade, o que contraria o fato de não haver emissão abaixo de
c) Com a quantização de Planck (