Justifique por que o efeito fotoctétrico é utna evidência contundente da dualidade onda-particula da radiação eletromagnética.
Passo 1
O enunciado pede para justificar por que o efeito fotoelétrico é uma evidência forte da dualidade onda-partícula da radiação eletromagnética. O conteúdo é física quântica inicial: vamos comparar as previsões da teoria de ondas clássica com as observações experimentais do efeito fotoelétrico e mostrar como o modelo de fótons de Einstein resolve as discrepâncias, evidenciando o caráter corpuscular da luz.
Passo 2
Segundo a teoria de Ondas Eletromagnéticas clássica, a energia transportada pelo feixe de luz incide de forma contínua e proporcional à sua intensidade
. Dessa forma, ao incidir sobre um metal, esperaríamos:
Passo 3
Os resultados experimentais do efeito fotoelétrico são, porém:
- Existe uma frequência limite
abaixo da qual não ocorre emissão de elétrons, independentemente de . - A energia cinética máxima
dos elétrons emitidos satisfaz
mas cresce linearmente com a frequência
.
3. A emissão é praticamente instantânea quando , mesmo para intensidades muito fracas.
3. A emissão é praticamente instantânea quando
Passo 4
Essas observações contradizem a teoria de ondas clássica, pois ela não prevê nem frequência de corte nem independência de
em relação à intensidade, tampouco emissão sem atraso significativo. Há, portanto, falha ao descrever quantitativamente o efeito.
Passo 5
Einstein propôs que a luz não transporta energia de forma contínua, mas sim em “pacotes” ou fótons, cada um com energia
Um elétron no metal absorve um único fóton; a condição para escapar é
sendo
a função trabalho do metal. A energia cinética máxima do elétron é então
o que explica:
- A existência de frequência de corte
. - A independência de
em relação à intensidade . - A emissão quase imediata, pois o elétron absorve o fóton de uma vez só.
Resposta
O efeito fotoelétrico só se explica se a luz tiver caráter corpuscular (fótons), pois daí surgem naturalmente frequência de corte, relação
e emissão instantânea. Essa necessidade de tratar a radiação tanto como onda (por fenômenos de interferência e difração) quanto como partícula (no fotoelétrico) constitui a dualidade onda-partícula da luz.