Efeito fotoelétrico (versão única)

O efeito fotoelétrico foi uma das alavancas que impulsionaram o surgimento da mecânica quântica, intrinsicamente interligado à teoria dos quanta de Max Planck (já discutida em artigos passados).

No século XIX, Heinrich Hertz desenvolveu um experimento particularmente curioso, sendo esse composto por duas placas metálicas, separadas por uma pequena distância, confinadas à vácuo dentro de um tubo de vidro. As placas foram então ligadas entre si, por um fio condutor com um amperímetro (mensurador de Ampère, unidade de intensidade de corrente elétrica, dada no SI por Coulomb/segundo), de modo a criar um circuito elétrico. Posteriormente, uma das placas recebe luz, enquanto a outra não. A placa que recebeu radiação (luz) ejeta elétrons de sua superfície, os quais atingem a outra placa, de modo a fazer surgir uma corrente elétrica. Os cientistas perceberam que diferentes metais precisavam de diferentes quantias de energia para que elétrons fossem expelidos da superfície metálica. O que intrigou a comunidade cientifica foram certas observações nos efeitos que a luz causava, diferenciando do comportamento esperado de teorias já consolidadas, como o eletromagnetismo clássico (teoria que explica o comportamento de ondas eletromagnéticas, ou seja, a luz), formalizado por James Clark Maxwell.

Ao aumentarem a amplitude (intensidade) da luz emitida, foi notado que os elétrons não saíam mais energizados (com maior velocidade), como era de se esperar. Exemplificando: a incidência tanto de luz tênue/fraca quanto de luz forte emitia elétrons com igual energia cinética. O efeito que a intensidade luminosa desempenhava era o de remover uma maior quantia de elétrons da superfície metálica, aumentando, assim, a corrente elétrica gerada, dada a maior quantia de partículas (cargas elétricas). Contudo, a amplitude não possuía incidência na energia dos elétrons emitidos. Os físicos também previram que o aumento da frequência dos fótons faria com que a corrente elétrica aumentasse (o que foi visto ser papel da amplitude luminosa), de forma contraditória, experimentos mostraram que o aumento da frequência gerava elétrons emitidos com maior energia (mais rápidos).

Ainda, outro impasse desafiava a percepção dos estudiosos. A emissão dos elétrons deveria, após a incidência da luz na chapa metálica, demorar alguns instantes para ocorrer, conforme o comportamento ondulatório prescreveria. Contudo, observou-se que a saída dos elétrons era instantânea, o que apontava para um comportamento corpuscular.

É importante ressaltar que não são quaisquer frequências de luz que conseguem remover os elétrons, sendo que as menores frequências (cores mais avermelhadas no espectro visível), no geral, são insuficientes para a remoção, ao passo que frequências maiores (cores puxadas para o violeta no espectro visível) despelem os elétrons com facilidade.

A explicação para as previsões errôneas veio mais tarde, dada por Albert Einstein em 1905 (“ano milagroso”: publicação dos artigos de Einstein). Previamente, Max Planck havia explicado que a energia não é transportada de forma contínua, mas, sim, em “pacotes de energia” (os chamados quanta), sendo, portanto, quantizada (não pode assumir qualquer valor arbitrário). Einstein utilizou a ideia de Planck e propôs que a luz fosse composta por partículas, os chamados fótons, os quais carregam uma porção discreta (quanta) de energia. A explicação de Einstein para o efeito fotoelétrico, com o tempo, ganhou aceitação dentre a comunidade cientifica, garantindo a Einstein, em 1922, o prêmio Nobel de física.

Sumarizando, o efeito fotoelétrico ocorre quando fótons (de certas frequências permitidas) são absorvidos por elétrons na superfície do metal, fornecendo a estes energia, de modo a arranca-los da placa. A energia dos fótons é dada pela lei de Planck (equação 1), sendo que a energia do fóton também pode ser expressa pela lei da conservação de energia (equação 2), como a soma da energia cinética (de movimento) e do trabalho realizado para expelir o elétron. A conservação vale-se pelo fato da energia de entrada (do fóton) ser igual à energia utilizada para realizar o trabalho e dar movimento aos elétrons (chamados de fotoelétrons quando expelidos).

Das implicações do efeito fotoelétrico, tem-se a indicação de que a luz possui um comportamento corpuscular (de partícula) e não ondulatório, como experimentos anteriores, vulga fenda dupla de Young, demonstrara. A simultaneidade de ambos os comportamentos afirma a dualidade onda-partícula, uma das essências da mecânica quântica.

A prova de que a luz é composta por partículas trouxe à realidade a existência de corpúsculos sem massa. Ademais, com a implementação da teoria de Planck, Einstein auxiliou a dar o pontapé no que viria a florescer na teoria mais curiosa e misteriosa já formulado pelo homem, a teoria quântica, a qual se mantem fixa no âmbito de discussão dos cientistas contemporâneos.

Material de referência: https://pt.khanacademy.org/science/physics/quantum-physics/photons/a/photoelectric-effect

50 Quantum Physics Ideas You Really Need to Know (Joanne Baker)

A história da ciência para quem tem pressa (Nicola Chalton e Meredith Mac Ardle)

Uma breve historia no temepo (Stephen Hawking)