SciSimulator
Voltar ao Experimento

Efeito Fotoelétrico Guia

FísicaAvançadoTempo de leitura: 3 min

Visão Geral

A luz é uma onda ou uma partícula? Em 1905, Einstein forneceu uma resposta que abalou o mundo ao explicar o "Efeito Fotoelétrico": a luz tem propriedades de partícula. Este experimento simula o processo de fótons bombardeando uma superfície metálica e ejetando elétrons. Ao ajustar a frequência da luz, intensidade e tensão reversa, você experimentará pessoalmente o alvorecer da mecânica quântica e verificará a famosa equação do efeito fotoelétrico de Einstein.

Antecedentes

  • Em 1887, Heinrich Hertz descobriu pela primeira vez o fenômeno do efeito fotoelétrico em experimentos, mas não conseguia explicá-lo usando a teoria das ondas eletromagnéticas da época.
  • Em 1902, Philipp Lenard descobriu experimentalmente que a energia cinética máxima dos fotoelétrons é independente da intensidade da luz, mas depende da frequência, o que contradizia a teoria ondulatória.
  • Em 1905, Albert Einstein propôs a hipótese do fóton, explicando com sucesso todos os fenômenos experimentais do efeito fotoelétrico, e foi agraciado com o Prêmio Nobel de Física de 1921 por isso.

Conceitos-chave

Fóton (Photon)

E=hfE = hf

A energia da luz vem em pacotes discretos, cada um chamado fóton. Sua energia EE é determinada pela frequência ff.

Função Trabalho (Work Function, Φ\Phi)

Φ=hf0\Phi = hf_0

A energia mínima necessária para que um elétron escape da superfície de um metal. A função trabalho varia para diferentes metais e é geralmente denotada por Φ\Phi ou WW.

Energia Cinética Máxima (KmaxK_{\text{max}})

Kmax=hf−ΦK_{\text{max}} = hf - \Phi

A energia cinética máxima possuída por um fotoelétron ao escapar da superfície do metal. É igual à energia do fóton menos a função trabalho.

Tensão de Corte (VsV_s)

eVs=Kmaxe V_s = K_{\text{max}}

A tensão reversa mínima necessária para reduzir a fotocorrente a zero. Neste ponto, o trabalho negativo realizado pelo campo elétrico é igual à energia cinética inicial máxima dos elétrons.

Fórmulas e Derivação

Equação Fotoelétrica de Einstein

hf=Φ+Kmaxhf = \Phi + K_{\text{max}}
Parte da energia do fóton incidente hfhf é usada para superar a força de ligação do metal (Função Trabalho Φ\Phi), e o restante é convertido na energia cinética do elétron KmaxK_{\text{max}}.

Passos do Experimento

  1. 1

    Encontrar a Frequência de Corte

    Selecione um metal (por exemplo, Sódio). Defina a tensão para 0V0V. Começando em comprimentos de onda longos (luz vermelha), diminua gradualmente o comprimento de onda (aumente a frequência) e observe em que comprimento de onda os elétrons começam a ser ejetados. A frequência correspondente a este ponto crítico é a frequência de corte f0f_0.
  2. 2

    Explorar o Efeito da Intensidade

    Com fotocorrente sendo gerada, mantenha o comprimento de onda constante e ajuste a "Intensidade". Observe quaisquer alterações no número (densidade) de elétrons ejetados e sua velocidade. O que a intensidade da luz representa?
  3. 3

    Medir a Tensão de Corte

    Mantenha a intensidade e frequência da luz constantes e ajuste a tensão da bateria para um valor negativo (tensão reversa). Observe como os elétrons são desacelerados. Registre o valor da tensão quando a corrente cai apenas para 00. Esta é a tensão de corte VsV_s.
  4. 4

    Verificar a Equação de Einstein

    Altere a frequência da luz incidente e repita o passo 3 para medir a tensão de corte em diferentes frequências. Considere se existe uma relação linear entre a tensão de corte (representando a energia cinética máxima) e a frequência.

Resultados de Aprendizagem

  • Confirmar que a ocorrência do efeito fotoelétrico depende da frequência da luz, não da intensidade
  • Dominar a relação proporcional entre a magnitude da fotocorrente e a intensidade da luz incidente
  • Verificar a lei de que a energia cinética inicial máxima aumenta linearmente com a frequência da luz incidente
  • Entender a característica de "partícula" da dualidade onda-partícula da luz

Aplicações Reais

  • Células Fotoelétricas: Usadas em portas automáticas e sensores de iluminação pública para gerar corrente e controlar circuitos quando iluminadas.
  • Células Solares: Utilizam o efeito fotovoltaico para converter energia luminosa diretamente em energia elétrica, um componente chave da energia limpa.
  • Tubos Fotomultiplicadores: Detectam sinais de luz fracos em física nuclear e imagens médicas (como exames PET).
  • Câmeras Digitais (CCD/CMOS): Utilizam o efeito fotoelétrico para converter sinais de fótons que entram na lente em sinais eletrônicos para imagem.

Erros Comuns

Erro
Desde que a luz seja suficientemente brilhante, até a luz vermelha pode ejetar elétrons de uma placa de zinco
Correto
Incorreto. Se a energia do fóton hfhf for menor que a função trabalho Φ\Phi, não importa quão alta seja a intensidade (número de fótons), um único fóton não pode "chutar" um elétron. Isso prova que a energia é quantizada.
Erro
Aumentar a tensão reversa faz com que a fotocorrente aumente infinitamente
Correto
Incorreto. Aumentar a tensão reversa impede que os elétrons cheguem ao ânodo, reduzindo a fotocorrente. Aumentar a tensão direta aumenta a corrente até atingir a saturação.
Erro
A energia cinética máxima dos fotoelétrons é proporcional à intensidade da luz
Correto
Incorreto. A energia cinética máxima depende apenas da frequência da luz. Aumentar a intensidade apenas adiciona mais fótons, aumentando assim o número de elétrons ejetados (fotocorrente), mas não altera a energia dos elétrons individuais.

Leitura Adicional

Pronto para começar?

Agora que você entende o básico, comece o experimento interativo!

Iniciar ExperimentoIniciar Questionário