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 I. Dessa forma, ao incidir sobre um metal, esperaríamos:
(i) Energia cinética dos elétrons propto I, (ii) ()Ausência de frequência mínima de emissão, (iii) ()Atraso finito para emissão (acumulação de energia) ééêêíããçã

Passo 3

Os resultados experimentais do efeito fotoelétrico são, porém:
  1. Existe uma frequência limite nu0 abaixo da qual não ocorre emissão de elétrons, independentemente de I.
  2. A energia cinética máxima Kmax dos elétrons emitidos satisfaz
Kmax ;não depende de; I, ã
mas cresce linearmente com a frequência nu.
3. A emissão é praticamente instantânea quando nu>nu0, mesmo para intensidades muito fracas.

Passo 4

Essas observações contradizem a teoria de ondas clássica, pois ela não prevê nem frequência de corte nem independência de Kmax 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
Efóton = h,nu ó
Um elétron no metal absorve um único fóton; a condição para escapar é
h,nu ;>=;Phi,
sendo Phi a função trabalho do metal. A energia cinética máxima do elétron é então
Kmax = h,nu - Phi,
o que explica:
  • A existência de frequência de corte nu0 = Phi/h.
  • A independência de Kmax em relação à intensidade I.
  • 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 Kmax=hnu-Phi 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.

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