1921 – Efeito Fotoelétrico – Albert Einstein

Efeito Fotoelétrico

Em 1900, uma confusão entre cientistas começou, até que surgiu Albert Einstein e o fenômeno do Efeito Fotoelétrico. Alguns defendiam a Teoria da Energia Quantizada que Planck acabara de criar, enquanto outros, assim como Planck, duvidavam que a energia poderia realmente ser quantizada.

Max Planck, em uma tentativa de explicar a Radiação de Corpo Negro, propôs algo que ia contra as leis da física conhecidas até o século XIX. Sua proposta trazia a ideia de que a energia não era algo contínuo.

Na aula anterior, foi entendido o princípio básico da Quântica, mas para os físicos de 1900, não fazia sentido a energia não poder ter qualquer valor. E até mesmo para Planck, isso parecia muito estranho, mesmo a quantização tendo sido fundamental para a explicação da Radiação de Corpo Negro. Mas curiosamente havia um outro fenômeno muito popular na época que nenhum outro físico tinha conseguido explicar, O Efeito Fotoelétrico.

A ideia por trás do efeito fotoelétrico é bem simples. Os físicos perceberam que ao jogar luz em alguns materiais, os elétrons desses materiais eram ejetados. Eles já sabiam que a luz era energia e que quando se dá energia para as partículas, elas podem se desprender umas das outras e até mesmo ir embora, assim como quando a água é fervida e as moléculas de água se transformam em vapor.

O que interessava aos físicos era que, em alguns materiais, ao jogar uma luz vermelha, observava-se que os elétrons não eram ejetados, o que poderia ser explicado pelo fato da lâmpada ser fraca, fornecendo pouca energia para os elétrons. Porém, mesmo com uma luz ainda mais potente, nada acontecia. Curiosamente, quando se acendia apenas uma pequena luz com frequência maior, como o verde ou azul, o efeito acontecia.

A questão era que a energia fornecida por uma lâmpada vermelha potente era muito maior do que a energia fornecida por uma pequena lâmpada azul. Então, por que com o azul funcionava, mas com o vermelho não?

Em 1905, surgiu Albert Einstein com seu primeiro artigo sobre a teoria da relatividade, que não foi entendida pela maioria dos cientistas e, por isso, foi ignorada. No entanto, Planck, que já era um dos físicos mais renomados da época, achou o conteúdo daquela publicação genial. Um ano depois, eles se conheceram e passaram a discutir questões científicas. Então, os anos foram se passando até que em 1915, Einstein havia completado tanto a teoria da Relatividade Restrita quanto a Teoria da Relatividade Geral e decidiu se dedicar ao efeito fotoelétrico. Ele percebeu que, se utilizasse a teoria quântica de Planck, o efeito fotoelétrico poderia ser facilmente explicado.

Einstein propôs que a luz era quantizada, ou seja, que a luz poderia ser representada por pedaços, pacotinhos de energia, que mais tarde ficaram conhecidos como fótons. Quando se muda a luz para a cor azul, continua-se tendo uma luz quantizada, feita por pacotinhos de energia, só que dessa vez, cada pacotinho possui mais energia do que o vermelho. Ao contrário do que possa parecer, esses pacotinhos não arrancam os elétrons, na verdade, eles fornecem energia para os elétrons se soltarem. Ou seja, um elétron que foi ejetado do material é, na verdade, o elétron que absorve o fóton.

Quanticamente, os elétrons só interagem com um fóton por vez. Se aquele fóton que chega até ele não possui energia suficiente para fazê-lo se soltar do material, ele ignora esse fóton. Um único fóton deve oferecer tudo o que ele precisa, ou ele ignora todos os fótons.

Essa relação entre os elétrons e os fótons foi descrita pela expressão.

$E_f=W+E_c$

O trabalho (W) representa a energia mínima necessária para ejetar um elétron de um determinado material, geralmente metais. Em outras palavras, o trabalho W é a energia que o elétron precisa gastar para se desprender do material. A energia cinética (Ec) do elétron após se libertar do material, é o que resta da energia do fóton após o elétron gastar o trabalho W para se soltar. A energia do fóton (Ef) é o que inicialmente interage com o elétron, essa interação é descrita pela equação de Planck, que afirma que a energia da luz é quantizada, ou seja, a energia do fóton é dividida em unidades finitas conhecidas como fótons.

A energia de cada fóton é dada por:

$E_f = h.f$

Como h é a constante da teoria quântica, ela permanece constante. Isso significa que, ao mudar a frequência (f), a energia do fóton também muda. A cor vermelha possui uma frequência baixa, enquanto a cor verde possui uma frequência maior e a cor azul possui uma frequência ainda maior.

Quanto maior for a energia do fóton, como por exemplo uma radiação ultravioleta, mais energia sobrará para o elétron se transformar em velocidade após se libertar do material.

Como h é a constante da teoria quântica, ela não muda, isso significa que se eu mudar o “f”, a energia do fóton muda, sendo “f” é a frequência. A cor vermelha tem pouca frequência, a cor verde tem mais e a cor azul tem uma frequência ainda maior.