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.
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
onde
é a constante de Planck,
é a frequência do fóton incidente e
é a energia de ligação do elétron no átomo (binding energy). Se
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
do material (aumenta muito com ) e decai rapidamente com a energia do fóton . Ou seja, é mais provável em materiais de alto 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:
o que mostra que o fóton sai com
maior (energia menor) dependendo do ângulo
. 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
. Isso é a opção A. - Portanto cada processo tem assinatura própria: fotoelétrico = absorção total pelo elétron; Compton = espalhamento parcial; par = criação de pares quando
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
). 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
→ incorreta. - E: afirma independência em relação à energia do fóton e ao
, o que é falso (fotoelétrico depende fortemente de 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
). As outras alternativas descrevem fenômenos distintos (produção de pares, espalhamento Compton) ou afirmam propriedades incorretas.
Resposta
B