Nos últimos anos do século XIX, experimentos demonstraram que uma luz incidindo em determinadas superfícies metálicas causava emissão de elétrons por essas superfícies. Esse fenômeno é conhecido como efeito fotoelétrico, e os elétrons emitidos são chamados fotoelétrons.
As primeiras evidências do efeito fotoelétrico foram obtidas por Heinrich Hertz em 1887. Atualmente as células fotoelétricas ou fotocélulas (Fig. 1) são muito usadas em diversos dispositivos eletrônicos, como fotômetro, controles remotos, circuitos de segurança etc.
Temos uma montagem típica para se estudar o fenômeno. (Fig. 2) Um tubo de vidro, a vácuo, encerra um eletrodo negativo, o emissor (E), e um eletrodo positivo, o coletor (C). Quando o conjunto fotocélula é colocado no escuro, o amperímetro indica zero; não há corrente no circuito. Entretanto, quando uma radiação monocromática de determinado comprimento de onda ilumina a placa E, o amperímetro registra corrente, indicando um fluxo de cargas entre E e C. Esse fluxo deve-se aos elétrons emitidos pela placa negativa E, que são coletados pela placa positiva C.
O comportamento da corrente entre E e C depende da ddp aplicada à fotocélula e da intensidade da luz usada, como mostra o gráfico abaixo.
A curva (1) representa a variação da corrente para luz com grande intensidade e a curva (2), a variação da corrente para luz de pequena intensidade.
Para valores de UCE (ddp entre emissor E e o coletor C) suficientemente elevados, a corrente atinge sua máxima intensidade e se estabiliza nesse valor. Porém, invertendo-se a polaridade da bateria, a intensidade da corrente entre E e C diminui gradativamente, chegando a zero para UCE = – Uf. O valor U, é denominado potencial de freamento ou de corte
Para valores negativos de UCE, isto é, no intervalo – Uf < UCE < 0, os fotoelétrons são repelidos pela placa C, que agora está negativa, diminuindo assim o fluxo de cargas entre E e C. Só os elétrons (carga elétrica de módulo e) que são emitidos com energia cinética superior a e • UCE conseguem chegar à placa C. Porém o máximo valor possível para a energia cinética dos fotoelétrons é e • Uf, uma vez que, quando UCE = – Uf, os elétrons são totalmente freados. O valor de Uf, é independente da intensidade da radiação iluminante usada.
A Física Clássica, assim como a teoria ondulatória da luz, falhava ao tentar explicar certas características do efeito fotoelétrico. Por exemplo:
- Nenhum fotoelétron será observado se a radiação iluminante tiver uma frequência inferior a um certo valor, característico do material iluminado, denominado frequência de corte (f0).
- Se a frequência da radiação iluminante excede a frequência de corte, observa-se que o número de fotoelétrons emitidos é proporcional à intensidade da radiação incidente, porém nenhum elétron terá energia cinética superior a e • Uf, isto é, Ec(máx) = e • Uf.
- A energia cinética máxima dos fotoelétrons aumenta, se aumentarmos a frequência da radiação iluminante.
A explicação correta para o efeito fotoelétrico foi dada por Albert Einstein (1879-1955), em 1905, mesmo ano da publicação da teoria especial da relatividade. Como parte de uma publicação sobre radiação eletromagnética, que lhe valeu o prêmio Nobel em 1921, Einstein estendeu o conceito para as ondas eletromagnéticas da quantização de Planck. Admitiu que a luz e as demais radiações eletromagnéticas deveriam ser consideradas como um feixe de pacotes de energia, aos quais chamou fótons, cada um transportando uma quantidade de energia E igual a h • f.
Na visão de Einstein, cada fóton cede toda sua energia h • f a um único elétron do metal. Parte dessa energia é usada para “desligar” o elétron do seu átomo — energia de ligação. A essa parcela de energia ele denominou função de trabalho do material, que representaremos por W. O restante da energia do fóton incidente estará na forma de energia cinética do fotoelétron. (Figura abaixo)
Assim:
Lembrando que EC(máx) = e . Uf temos:
Esta fórmula constitui a equação de Einstein para o efeito fotoelétrico.
Como h e e são constantes universais e W uma constante específica do material usado como emissor, vemos que Uf é uma função do 1º grau da frequência f da radiação iluminante. (Figura abaixo)
O trecho pontilhado do gráfico representa o intervalo de frequências para o qual não ocorre fotoemissão. O valor f0, denominado frequência de corte, mostra que, para que haja emissão de elétrons, os fótons devem ter no mínimo energia h . f0. O valor h.f0 é exatamente a função de trabalho W do material usado como emissor.
Por: Paulo Magno da Costa Torres
