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:
  • 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:
  1. Se há um “filtro” de frequência abaixo da qual NÃO sai nenhum elétron.
  2. 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).

Passo 4

Observações reais (experimento):
  1. Existe uma frequência mínima . Se a frequência da luz é menor que , NENHUM elétron sai, não importa o quão intensa seja a luz.
  2. A energia cinética máxima dos fotoelétrons cresce linearmente com a frequência da luz, não com a intensidade.
  3. 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
E = h,f
em que Kmáx = h,f - phi 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:
á
– 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.

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.

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.

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