Justifique por que o efeito fotoelétrico é uma evidência contundente da dualidade onda-partícula da radiação eletromagnética.
Passo 1
Resumo do enunciado: “Justificar por que o efeito fotoelétrico é uma evidência contundente da dualidade onda-partícula da radiação eletromagnética.”
Conteúdo: efeito fotoelétrico e dualidade onda-partícula.
O que vamos precisar:
Conteúdo: efeito fotoelétrico e dualidade onda-partícula.
O que vamos precisar:
- Entender o que é o efeito fotoelétrico.
- Ver o que a teoria clássica de ondas prevê.
- Mostrar as observações experimentais contradizem essa previsão.
- Apresentar a hipótese dos fótons (partículas de luz) com energia
.
Passo 2
O que é o efeito fotoelétrico?
Quando você ilumina um metal com luz, alguns elétrons saem voando do metal. Esses elétrons ejetados são chamados fotoelétrons. A experiência mede duas coisas principais:
Quando você ilumina um metal com luz, alguns elétrons saem voando do metal. Esses elétrons ejetados são chamados fotoelétrons. A experiência mede duas coisas principais:
- Se há um “filtro” de frequência abaixo da qual NÃO sai nenhum elétron.
- A energia cinética máxima desses elétrons e como ela varia com a frequência e a intensidade da luz.
Passo 3
Previsão da teoria clássica de onda:
– A energia da luz está distribuída continuamente pela onda.
– Aumentando a intensidade (mais “amplitude” da onda), deveria aumentar a energia que cada elétron recebe, independentemente da frequência.
– Haveria um tempo de “acúmulo” da energia no metal antes de ejetar elétrons (um pequeno atraso).
– A energia da luz está distribuída continuamente pela onda.
– Aumentando a intensidade (mais “amplitude” da onda), deveria aumentar a energia que cada elétron recebe, independentemente da frequência.
– Haveria um tempo de “acúmulo” da energia no metal antes de ejetar elétrons (um pequeno atraso).
Passo 4
Observações reais (experimento):
- Existe uma frequência mínima
. Se a frequência da luz é menor que , NENHUM elétron sai, não importa o quão intensa seja a luz. - A energia cinética máxima dos fotoelétrons cresce linearmente com a frequência da luz, não com a intensidade.
- A ejeção é instantânea (não dá tempo de acúmulo).
Esses fatos NÃO batem com a teoria de ondas clássica.
Passo 5
Hipótese dos fótons (Einstein, 1905):
– A luz é formada por pacotinhos de energia, os fótons.
– Cada fóton tem energia
– A luz é formada por pacotinhos de energia, os fótons.
– Cada fóton tem energia
em que
é a constante de Planck e
a frequência da luz.
– Ao incidir, cada fóton “bate” em um elétron e transfere sua energia. Parte dessa energia, , é usada para arrancar o elétron do metal (função trabalho) e o resto vira energia cinética:
– Ao incidir, cada fóton “bate” em um elétron e transfere sua energia. Parte dessa energia,
– Se
, o fóton não tem energia suficiente e nenhum elétron é ejetado (isso explica a frequência de corte
).
– Se a intensidade aumenta, só há mais fótons, mas cada um continua com energia , por isso a energia cinética não muda.
– Se a intensidade aumenta, só há mais fótons, mas cada um continua com energia
Passo 6
Ligação com dualidade onda-partícula:
– Para explicar fenômenos como interferência e difração, tratamos a luz como onda.
– No efeito fotoelétrico, a luz se comporta como partícula (fóton) com energia quantizada.
– Essa dualidade (às vezes onda, às vezes partícula) só faz sentido aceitando que a luz tem natureza mista.
– Para explicar fenômenos como interferência e difração, tratamos a luz como onda.
– No efeito fotoelétrico, a luz se comporta como partícula (fóton) com energia quantizada.
– Essa dualidade (às vezes onda, às vezes partícula) só faz sentido aceitando que a luz tem natureza mista.
Resposta
O efeito fotoelétrico prova a dualidade onda-partícula porque seus resultados (frequência-limite, energia cinética proporcional a
, ausência de atraso e independência da intensidade) não cabem na teoria de ondas clássica, mas ficam perfeitamente explicados se a luz for composta por partículas (fótons) de energia
, mostrando que a radiação eletromagnética tem comportamento quântico de partícula embora também mostre padrões de onda em outras circunstâncias.