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
Escolha uma opção:
\bigcirc a. quando o fóton incidente é totalmente absorvido por um elétron do metal e este é ejetado do material.
\bigcirc b. 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.
\bigcirc 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.
\bigcirc d. mais predominantemente quando a energia do fóton incidente é muito maior que a energia transferida às partículas produzidas na interação.
\bigcirc e. independentemente da energia do fóton incidente e do número atômico médio do meio.
Limpar minha escolha

Passo 1

O enunciado pede que você escolha qual alternativa descreve corretamente o efeito fotoelétrico. As alternativas dizem, resumidamente:
  • a. o fóton é totalmente absorvido por um elétron do metal e esse elétron é ejetado do material.
  • b. o fóton interage com o núcleo, cedendo toda a energia e originando um par de partículas.
  • c. o fóton de raios X ou gama é desviado por um elétron das camadas mais externas, transferindo parte da sua energia a esse elétron.
  • d. ocorre mais predominantemente quando a energia do fóton incidente é muito maior que a energia transferida às partículas produzidas.
  • e. ocorre independentemente da energia do fóton incidente e do número atômico médio do meio.
Estas são as informações que temos do enunciado: uma definição a ser identificada entre as alternativas e as características breves de cada alternativa.

Passo 2

Vamos entender, passo a passo, o que é o efeito fotoelétrico — sem assumir nada que você já saiba.
O efeito fotoelétrico é um processo em que um fóton incidente interage com um elétron ligado a um átomo e é completamente absorvido por esse elétron. Como consequência:
  • o elétron perde sua ligação ao átomo e é ejetado (tornando-se um elétron fotoejetado);
  • não sobra fóton após a interação (o fóton é destruído ao doar sua energia).
Para quantificar a energia do elétron ejetado usamos a conservação de energia: a energia do fóton é gasta para vencer a energia de ligação do elétron ao átomo e o restante aparece como energia cinética do elétron ejetado.

Passo 3

Escrevendo isso em fórmula é muito útil — e é bem simples:
K = h\nu - E_B
onde:
  • K é a energia cinética do elétron ejetado (o que a gente pode medir, por exemplo, num detector);
  • h\nu é a energia do fóton incidente ( h é a constante de Planck e \nu é a frequência do fóton);
  • E_B é a energia de ligação do elétron na sua órbita (ou seja, quanto de energia é necessário para arrancar esse elétron do átomo).
Observações importantes que decorrem dessa fórmula:
  • se h\nu < E_B, o fóton não tem energia suficiente e o elétron NÃO é ejetado (efeito fotoelétrico não ocorre para esse elétron);
  • o fóton é totalmente absorvido — não há fóton remanescente após a interação.

Passo 4

Agora compare isso com as alternativas. A alternativa (a) diz exatamente: o fóton incidente é totalmente absorvido por um elétron do metal e este é ejetado do material. Isso bate exatamente com a descrição e com a fórmula que vimos: o fóton transfere toda a sua energia para um único elétron ligado, que é então ejetado.

Passo 5

Para reforçar por que as outras opções estão erradas, vamos olhar cada uma rapidamente e associar com o mecanismo correto:
  • A alternativa (b) descreve produção de pares: nesse processo o fóton cria um par elétron-pósitron e, para que isso aconteça, o fóton precisa interagir com o campo do núcleo (ou de outro átomo) e ter energia mínima. A condição de energia mínima é
E_\gamma \ge 2 m_e c^2 \approx 1{,}022\\ \text{MeV},
onde m_e é a massa do elétron e c a velocidade da luz. Isso não é o efeito fotoelétrico.

Passo 6

  • A alternativa (c) descreve espalhamento Compton: no espalhamento Compton o fóton não é totalmente absorvido, ele é espalhado (desviado) com menor energia, e um elétron (geralmente fracamente ligado) recebe parte dessa energia. Ou seja, sobra um fóton de energia reduzida. Portanto (c) é Compton, não fotoelétrico.

Passo 7

  • A alternativa (d) é vaga e enganosa: o efeito fotoelétrico NÃO é mais predominante quando a energia do fóton é muito maior que a energia transferida — na realidade o efeito fotoelétrico domina para fótons de energia relativamente baixa (próximo às energias de ligação) e em materiais com alto número atômico Z. Em energias muito altas domina a produção de pares; em energias intermediárias, o espalhamento Compton domina.
Uma expressão empírica que mostra a dependência do efeito fotoelétrico é que a seção eficaz \sigma_{pe} varia fortemente com Z e com a energia do fóton, aproximadamente como
\sigma_{pe} \propto \frac{Z^n}{E_\gamma^3},
com n entre cerca de 4 e 5 próximo de certas faixas — o que indica que o efeito fotoelétrico aumenta com Z e diminui rápido com E_\gamma.

Passo 8

  • A alternativa (e) está errada porque o efeito fotoelétrico depende sim da energia do fóton E_\gamma e do número atômico médio do meio Z (ver comentário do passo anterior). Não é independente.

Passo 9

Resumo didático rápido para a prova (decora e entenda):
  • Fotoelétrico: fóton é totalmente absorvido por um elétron ligado → elétron ejetado; K = h\nu - E_B. Favorecido por baixos E_\gamma (próximos a E_B) e alto Z.
  • Compton: fóton espalhado com perda parcial de energia; fóton remanescente existe.
  • Produção de pares: fóton transforma-se em elétron + pósitron; requer E_\gamma \ge 2 m_e c^2.
Com isso fica claro qual alternativa descreve corretamente o efeito fotoelétrico.

Resposta

a.

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