Seminário Efeito Fotoelétrico - Turma B - V Física Médica - Unesp (2009)

Universidade Estadual Paulista “Júlio de Mesquita Filho” Departamento de Física e Biofísica Laboratório de Física Moderna Aplicada

Grupo E: Lucas Guimarães Bruna Minotti Camila Brito Elaine Artuzo

Histórico: • 1886 – 1887: Heinrich Hertz realizou experimentos que pela primeira vez confirmaram a existência de ondas eletromagnéticas e a teoria de Maxwell sobre a propagação da luz. Hertz descobriu que uma descarga elétrica entre dois eletrodos ocorre mais facilmente quando se faz incidir sobre um deles luz ultravioleta. • 1897 – 1899: Lenard e Hallwachs mostraram que a luz ultravioleta facilita a descarga ao fazer com que elétrons (fotoelétrons) sejam emitidos da superfície do cátodo (fotocátodo).

“A emissão de elétrons de uma superfície, devida a incidência de luz sobre essa superfície, é chamada Efeito Fotoelétrico.”

Figura 1: Efeito Fotoelétrico http ://images.google.com.br/imgres?imgurl=http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/7/77/photoelectric_effect.png/

Estudos Experimentais

Figura 2: Aparelho usado para estudar o efeito fotoelétrico. http://www.if.ufrgs.br/~betz/iq_XX_A/fotoElec/aFotoElecText.htm

A figura ao lado ilustra o comportamento da corrente versus diferença de potencial aplicada (V), obtido ao fazermos incidir luz com comprimento de onda λ (fixo), frequência ν = c/λ e intensidade luminosa L1 e L2 distintas (L2>L1). Onde c = 3x108 m/s

Figura 3: Variação da corrente com a voltagem, para dois valores da intensidade luminosa. http://www.if.ufrgs.br/~betz/iq_XX_A/fotoElec/aFotoElecText.h

Observando este gráfico podemos concluir: 4. Quando aumentamos V, I atinge um valor máximo (ou valor de saturação), onde todos os fotoelétrons são coletados pelo ânodo.

8. A corrente I não é nula quando V=0, esta corrente se anula quando desligarmos a fonte de luz, de maneira similar I (V= 0) depende de L.

Figura 3: Variação da corrente com a voltagem, para dois valores da intensidade luminosa. http://www.if.ufrgs.br/~betz/iq_XX_A/fotoElec/aFotoElec

4. Ao invertermos a polaridade de V, I decai progressivamente até atingir o valor zero quando V=V0 (potencial de corte ou potencial limite).

4.

O valor de V0 não depende da intensidade de luz incidente L, mas as correntes de saturação I1 e I2 são diretamente proporcionais a ela.

Figura 3: Variação da corrente com a voltagem, para dois valores da intensidade luminosa. http://www.if.ufrgs.br/~betz/iq_XX_A/fotoElec/aFotoElecTex

A diferença de potencial V0, multiplicada pela carga do elétron, mede a energia cinética Kmáx do mais rápido fotoelétron emitido, ou seja: Kmáx=eV0

(1)

Experimentalmente observase que Kmáx é independente da intensidade de luz L. Onde e = 1,6x10-19C .

Figura 3: Variação da corrente com a voltagem, para

dois valores da intensidade luminosa. http://www.if.ufrgs.br/~betz/iq_XX_A/fotoElec/aFotoElecText.htm

Millikan (1914), estudando a dependência de V0 em função da frequência da luz incidente, constatou a existência de um limiar de frequência, ν0, também chamado limiar fotoelétrico, abaixo do qual o efeito fotoelétrico deixa de ocorrer. Figura 4 : Variação do potencial de corte com a freqüência.

http://www.if.ufrgs.br/~betz/iq_XX_A/fotoElec/aFot

Discordância com a Teoria Clássica

q O potencial de corte não depende da intensidade de luz incidente:

De acordo com a teoria ondulatória (clássica), a amplitude do campo elétrico E da onda luminosa cresce com a intensidade da luz (L). Já que a força aplicada sobre os elétrons é F=e.E, isto sugere que a energia cinética dos fotoelétrons deveria crescer ao se aumentar a intensidade do feixe luminoso. Entretanto, a figura 3 mostra que Kmáx, que é igual a e.V0 independe da intensidade da luz.

qExistência de uma frequência limiar ou limiar fotoelétrico: De acordo com a teoria ondulatória (clássica), o efeito fotoelétrico deveria ocorrer para qualquer frequência da luz, desde que sua intensidade fosse suficiente. A existência do limiar fotoelétrico ν0 foi amplamente comprovada. Para frequências abaixo de ν0 o efeito não ocorre, qualquer que seja a intensidade.

qInexistência do atraso entre incidência de luz e ejeção do elétron: Na teoria clássica, a energia luminosa está uniformemente distribuída sobre a frente de onda. Portanto, se a luz é suficientemente fraca, deveria haver um intervalo de tempo mensurável entre o instante em que a luz começa a incidir sobre a superfície e o instante da ejeção do fotoelétron. Durante este intervalo, o elétron deveria estar absorvendo energia do feixe, até que tivesse acumulado o bastante para escapar. No entanto, nenhum retardamento detectável foi jamais medido.

Teoria Quântica de Einstein Einstein, em 1905, colocou em questão a teoria clássica, propondo um novo modelo e citou o efeito fotoelétrico como uma aplicação que poderia testar qual das teorias estava correta. De maneira distinta da teoria clássica, propôs que a radiação emitida pela fonte luminosa está quantizada em pequenos pacotes localizados que se deslocam com velocidade c. Ele supôs que a energia Ɛ do pacote, ou fóton, está relacionada com sua frequência pela equação:

Ɛ = h. ν

(2)

Onde h = 6,63x10-34 J.s

Baseado na hipótese de que no efeito fotoelétrico, o fóton é completamente absorvido por um elétron no fotocatodo, Einstein concluiu que a energia cinética de um elétron emitido seria:

K = h.ν - w

(3)

Onde w seria a parcela de energia necessária (ou gasta) para removê-lo do material.

q q No caso da ligação mais fraca do elétron e nenhuma perda interna, o fotoelétron vai emergir com energia cinética máxima, Kmax . Portanto,

Kmax = h.ν - w0

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Onde w0 , uma energia característica do metal chamada função trabalho, é a energia mínima necessária para um elétron atravessar a superfície do metal e escapar às forças atrativas que normalmente ligam o elétron ao metal.

q

E com estas equações ele resolve as 3 objeções levantadas pela teoria clássica:

Objeção 1: O fato de que Kmax não depende da intensidade da luz. A teoria do fóton concorda integralmente com a experiência. Dobrar a intensidade da luz meramente dobra o número de fótons e portanto duplica a corrente fotoelétrica; isso não muda a energia hv de cada fóton ou a natureza do processo fotoelétrico.

Objeção 2: A existência de um limiar de frequência. Se Kmax é igual a zero temos:

h. ν = w 0

0

(5)

que significa que um fóton de frequência v0 tem exatamente a energia necessária para ejetar os fotoelétrons e nenhum excesso que possa aparecer como energia cinética. Se a frequência for menor que vo, os fotóns, não importando quanto eles sejam, não terão individualmente a energia nececessária para ejetar fotoelétrons.

Objeção 3: A ausência de retardamento. É eliminada pela hipótese do fotón, pois a energia necessária é fornecida em pacotes concentrados. Ela não se espalha uniformemente sobre uma área extensa. Se houver luz incidindo sobre o cátodo, haverá pelo menos um fotón que o atinge; este fotón será imediatamente absorvido por algum átomo, causando a imediata emissão de um fotoelétron.

Aplicações A aplicação do efeito fotoelétrico acontece através das células fotoelétricas ou fotocélulas.

Dispositivos com cátodo de material semicondutor, que ao receber a luz, emitem elétrons que são captados pelo ânodo e assim criam uma corrente fotoelétrica.

Células ou módulos solares

Figura 5: Células ou módulos solares www.fisica.net/quantica/curso/aplicacoes_do_efeito_fotoeletrico.php

Sensores de movimento

Figura 6: Sensores de movimento www.fisica.net/quantica/curso/aplicacoes_do_efeito_fotoeletrico.php

q Contagem do número de pessoas que passam por um determinado local;

q Funcionamento das portas de shoppings que se abrem sozinhas;

q Sistema de iluminação que se acende e apaga sozinho;

q Sistemas de alarme que se ligam e desligam automaticamente.

q Monitores de LCD e de plasma.

Aplicações na Física Médica q Radioterapia - causa a ionização das moléculas de água através do efeito fotoelétrico. Por meio dessa ionização, radicais livres acabam interagindo com os filamentos da molécula de DNA, provocando às vezes rupturas nessa cadeia de moléculas. Isso leva à morte das células cancerígenas (morte cromogênica), e controla o seu desenvolvimento.

q Emissores de radiação - como raios-x ou terapia fotodinâmica, causam efeito fotoelétrico nos átomos do paciente, podendo causar mutações e até gerar um câncer se feito com negligência.

Referências Bibliográficas • EISBERG, R. M.; RESNICK, R. Física Quântica. 3 Ed. Rio de Janeiro: Campus, 1985. • EISBERG, R. M. Fundamentos da Física Moderna. 3 Ed. Rio de Janeiro: Guanabara Dois, 1979. 643p. • Disponível em: http://www.if.ufrgs.br/~betz/iq_XX_A/fotoElec/aFotoElecText.htm, acessado em 22 de Agosto de 2009. • Disponível em: http://www.fsc.ufsc.br/~canzian/fsc5506/fsc5506-efeito-fotoeletrico.pdf , acessado em 22 de Agosto de 2009. • Disponível em: http://www.fisica.net/quantica/curso/aplicacoes_do_efeito_fotoeletrico.php, acessado em 22 de Agosto de 2009.

OBRIGADO!!!