QUESTÃO 08

Quando a radiação eletromagnética interage com a matéria, pode ocorrer a transferência da energia do fóton, ou de parte dela, para as partículas que compõem o meio material. Alguns dos principais tipos de interação da radiação eletromagnética com a matéria são: efeito fotoelétrico; espalhamento Compton e produção de pares, que se diferenciam entre si pelas características do meio material; energia do fóton incidente; energia transferida e situação do fóton após a interação (absorção total ou espalhamento com perda de energia do fóton). Entre os mecanismos de interação da radiação eletromagnética com a matéria, o efeito fotoelétrico ocorre
A quando o fóton incidente interage com o núcleo atômico do átomo do material atenuador, cedendo toda a sua energia e originando um par de partículas.
B quando o fóton incidente é totalmente absorvido por um elétron livre de um metal e este é ejetado do material.
C quando o fóton de raios X ou gama é desviado por um elétron das camadas mais externas, transferindo a esse elétron parte de sua energia.
D mais predominantemente quando a energia do fóton incidente é muito maior que a energia transferida às partículas produzidas na interação.
E independentemente da energia do fóton incidente e do número atômico do meio.

Passo 1

O enunciado pede identificar qual das alternativas descreve corretamente o efeito fotoelétrico. As alternativas dizem, em síntese:
  • A: o fóton interage com o núcleo e gera um par de partículas (par produção).
  • B: o fóton é totalmente absorvido por um elétron livre de um metal e este é ejetado.
  • C: o fóton é desviado por um elétron das camadas mais externas, transferindo parte da sua energia (espalhamento Compton).
  • D: ocorre mais quando a energia do fóton é muito maior que a energia transferida às partículas produzidas.
  • E: ocorre independentemente da energia do fóton e do número atômico do meio.
O que é pedido: escolher a alternativa que corresponde ao efeito fotoelétrico.

Passo 2

O que é o efeito fotoelétrico (explicação didática)?
  • Na linguagem simples: um fóton incide num átomo e é absorvido por um elétron ligado; essa energia do fóton é usada para vencer a energia de ligação do elétron ao átomo e o que sobra vira energia cinética do elétron que é ejetado.
  • Em fórmula, a energia cinética do elétron ejetado vale
K = h\nu - E_b,
onde h é a constante de Planck, \nu é a frequência do fóton incidente e E_b é a energia de ligação do elétron no átomo (binding energy). Se h\nu < E_b não ocorre ejeção. Essa descrição captura a ideia central: o fóton é absorvido totalmente por um elétron ligado e o fóton deixa de existir após a interação (absorção total).

Passo 3

Características importantes do efeito fotoelétrico (para a prova — memorize o que distingue este processo):
  • É uma absorção total do fóton: após a interação não resta fóton espalhado.
  • O elétron pode pertencer às camadas internas (frequente em atenuação de raios X/gama) ou a elétrons de metais no contexto do efeito fotoelétrico externo (luz visível sobre metais). Em física de radiação, fala-se quase sempre de elétrons ligados (camadas internas) para raios X/gama.
  • A probabilidade (seção de choque) do efeito fotoelétrico depende fortemente do número atômico Z do material (aumenta muito com Z) e decai rapidamente com a energia do fóton E. Ou seja, é mais provável em materiais de alto Z e para fótons com energias relativamente baixas (na faixa dos raios X, antes de predominar o espalhamento Compton ou produção de pares).

Passo 4

Comparando com outros mecanismos (para diferenciar opções):
  • Compton (espalhamento Compton): o fóton não é totalmente absorvido; ele é espalhado com menor energia e um elétron é ejetado. Portanto há sempre um fóton remanescente (espalhado) e o elétron recebe apenas parte da energia. A relação de dispersão pode ser escrita em termos de comprimentos de onda:
\lambda' - \lambda = \frac{h}{m_e c}(1-\cos\theta),
o que mostra que o fóton sai com \lambda' maior (energia menor) dependendo do ângulo \theta. Assim a opção que fala em desvio e transferência parcial de energia descreve Compton (opção C).
  • Produção de pares: requer alta energia do fóton e ocorre tipicamente próximo ao núcleo; gera um elétron e um pósitron e exige h\nu \ge 2 m_e c^2. Isso é a opção A.
  • Portanto cada processo tem assinatura própria: fotoelétrico = absorção total pelo elétron; Compton = espalhamento parcial; par = criação de pares quando h\nu grande.

Passo 5

Avaliação das alternativas uma por uma (explicando por que cada uma é correta ou não):
  • A: descreve produção de pares (é necessária interação com o núcleo e há criação de par eletron-pósitron). Não é efeito fotoelétrico → incorreta.
  • B: diz que o fóton é totalmente absorvido por um elétron e este é ejetado do material. Isso coincide com a ideia-chave do efeito fotoelétrico: absorção total do fóton por um elétron e ejeção do elétron (energia cinética dada por K = h\nu - E_b). Observação didática: o enunciado fala “elétron livre de um metal”, que lembra o efeito fotoelétrico externo (luz sobre metais); em contextos de atenuação de raios X/gama fala-se mais em elétrons ligados, mas a característica essencial — absorção total e ejeção do elétron — está correta na alternativa B.
  • C: descreve espalhamento com transferência parcial de energia — isso é Compton, não fotoelétrico → incorreta.
  • D: afirma um critério vago (“quando a energia do fóton é muito maior que a energia transferida”) que não caracteriza o efeito fotoelétrico e não é uma regra de ocorrência preferencial; de fato o fotoelétrico tende a predominar em energias menores (não “muito maiores”) e em materiais de alto Z → incorreta.
  • E: afirma independência em relação à energia do fóton e ao Z, o que é falso (fotoelétrico depende fortemente de Z e da energia) → incorreta.

Passo 6

Síntese didática final do raciocínio (sem repetir literalmente a resposta): entre as alternativas apresentadas, apenas a que afirma que o fóton é totalmente absorvido por um elétron e este é ejetado corresponde à definição operacional do efeito fotoelétrico (absorção total do fóton e ejeção do elétron, com K = h\nu - E_b). As outras alternativas descrevem fenômenos distintos (produção de pares, espalhamento Compton) ou afirmam propriedades incorretas.

Resposta

B

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