Efeito Fotoelétrico

O Efeito Fotoelétrico ou Efeito Hertz, foi observado pela primeira vez em 1839 por Alexandre Edmond Becquerel e confirmado em 1887 por Heinrich Hertz (daí o nome menos usual: Efeito Hertz).

Esse fenômeno consiste na emissão de elétrons de um material metálico, quando o mesmo é exposto a uma radiação eletromagnética (luz) que possui uma determinada frequência suficientemente alta perante ao material em questão, em outras palavras, essa radiação eletromagnética ao incidir sobre a placa de metal remove elétrons da mesma.

Ondas eletromagnéticas incidindo sobre uma placa metálica, fornecendo energia e causando a ejeção de elétrons.

A princípio o fenômeno parecia banal e pouco usual, porém mostrou-se de grande importância para o estudo corpuscular do comportamento da luz. Percebia-se que os elétrons provenientes dos orbitais dos átomos de metais eram ejetados quando uma luz de comprimento de onda pequeno, ou seja, de alta frequência, excitava-os. Esses elétrons se mantinham em regiões próximas ao núcleo, mantidos lá por forças de atração, porém quando uma luz de alta frequência excitava esses elétrons, fornecendo energia superior ou igual ao de remoção, eles eram ejetados dos orbitais. 

Um fato interessante era que não adiantava aumentar a intensidade das radiações eletromagnéticas  incidentes sobre o material metálico, afim de remover  elétrons com maior energia cinética, pois o que acontecia era somente o efeito de remover uma quantidade maior de elétrons do metal. Garantindo assim um efeito não esperado pelos especialistas.

Um fato interessante era interpretar a faixa de ondas da luz visível (como pode ser observado na figura à baixo). Constatou-se que radiações eletromagnéticas próximas e acima ao Ultra-Violeta (UV) possuíam energia para remover os elétrons dos metais com uma energia maior do que as luzes abaixo dessa faixa.

Faixas de ondas no Visível, no Infra-Vermelho e no Ultra-Violeta.

No espectro visível uma luz de cor azul possui muito mais energia que uma luz de cor vermelha, mas quando pensamos em intensidade de uma determinada luz, percebia-se que uma onda com mais intensidade sendo incidida sobre uma placa de metal, ao contrário de remover mais energeticamente os elétrons, somente causava a remoção de mais elétrons, mas sem um aumento da energia cinética dos mesmos, ou seja, era um fenômeno que não fornecia mais velocidade, mas sim mais elétrons ejetados. Isso batia de frente com o que a física clássica propunha (Os elétrons deveriam se mover mais rapidamente que as ondas incidentes).

No caso de luzes mais energéticas, os elétrons eram removidos com mais velocidade, isso se dava pelo fato da luz se comportar de maneira dual, ou seja, como onda e como partícula (partículas conhecidas como fótons, que também podem ser descritos como feixes de energia). Portanto estudo nos leva a uma nova interpretação da luz, não só com onda, mas também de forma corpuscular.

Um fóton de luz azul é mais energético que um fóton de luz abaixo de sua faixa, ou seja, ao imaginar um modelo com esferas rígidas, um fóton azul se chocaria como uma bola de bilhar mais energética que um fóton vermelho por exemplo, ou seja, uma esfera pode ser arremeçada com mais força que outra, porém não pode fornecer mais energia do que já possui. Em outras palavras, um fóton contendo determinada quantidade de energia choca-se com um elétron, transferindo sua energia para esse elétron. 

Isso explicava porque a energia não aumentava com a intensidade, mas sim a quantidade de elétrons ejetados. Quanto mais fótons eram incididos sobre a placa de metal, mais deles transferiam sua energia para elétrons, e dessa forma a quantidade de elétrons emitidos (sem alterar sua velocidade, energia cinética) aumentava com o aumento da incidência da luz.

Esse fenômeno foi explicado pelo jovem físico de vanguarda Albert Eisnten, no famoso ano milagroso de 1905. Esse trabalho concedeu-lhe em 1921 o Prêmio Nobel de Física.

A equação do Efeito Fotoelétrico foi descrita da seguinte forma por Einstein:

Onde h é a constante de Plank e f a frequência (hf simboliza o fóton), ø é a função trabalho (energia mínima para se remover um elétron de uma ligação atômica) e  E corresponde a energia cinética máxima dos elétrons expelidos (m é a massa do elétron expelido e v é a velocidade dos mesmos expelidos).

Como um todo a equação diz:

Energia do Fóton = Energia para remover o elétron + Energia Cinética do elétron ejetado.

Um experimento simples para detectar a ejeção de elétrons se baseia em um sistema elétrico aberto, que se torna fechado com a incidência de luz ultra-violeta em uma placa metálica, que ejeta elétrons na direção de um receptor (condutor), fechando o circuíto elétrico. Podendo então ser calculada a amperagem da corrente.

Movimento Browniano: Algo que parecia vida

Esse fenômeno tem caráter mecânico, e se baseia na movimentação de partículas macroscópicas de forma aleatória em um fluido. Como um todo a teoria é simples, sendo que, as partículas se movem devido ao choque das partículas com as moléculas do fluido onde as mesmas estão imersas.

O Movimento Browniano tem esse nome por te sido relatado pelo botânico escocês Robert Brown no ano de 1827, porém muitos outras pessoas já haviam reparado o mesmo efeito só que em outras situações, como grãos de poeira flutuando no ar. Um dos que foram anterior a Robert Brown e percebeu o fenômeno, mas sem conseguir explica-lo foi holandês Jan Ingenhousz em 1765.

 Robert Brown notou a movimentação aleatória quando estudava polén imerso em água. Ele viu algumas partículas minusculas flutuando e se agitando rapidamente dentro dos vácuolos (vacúolos são pequenas bolsas criadas dentro das células, eles são formados por membranas plasmáticas que envolvem reservas nutritivas e excretas) dos grãos de pólens. Ele repetiu o experimento diversas vezes e mesmo com partículas diferentes (Como macropartículas, que muitas vezes são confundidas com poeira), e o resultado sempre era o mesmo.

Na época que o fenômeno foi visto pelo botânico, não se conheia corretamente a estrutura das moléculas, com isso, parecia que as partículas possuiam movimento por conta própria, ou seja, quando Robert Brown notou a movimentação aleatória, ele pensou que aquele era na verdade o princípio da vida. Fato esse que muitos ciêntitas procuravam desvendar nesse período. Experimento sobre criacionismo eram comuns, como o do nascimento de ratos de montes de roupas sujas, surgimento de larvas de moscas sobre carne podre (Esses experimentos foram todos refutados pelo desenvolvimento de equipamentos mais apurados e observações mais detalhadas frente à natureza), dentre outros experimentos, que não serão explicados neste post para que não fujamos do foco. 

 Robert Brown não conseguiu explicar corretamente o fenômeno observado, porém em 1880 surgiu uma explicação matemática para o estranho fenômeno. Um matemático Thorvald N. Thiele usou-se de fractais para conseguir mostrar a estranha aleatoriedade envolvida no movimento. Fractais são objetos geométricos que podem ser divididos em infinitas partes semelhantes ao objeto inicial, sendo na maioria dos casos gerados por modelos repetitivos.

Fractais

Outro cientístas em 1900, independente do trabalho de Thorvald N. Thiele, também conseguiu resultados relevantes na explicação desse movimento, esse cientísta era Louis Bachelier, só que esse se usou das observações feitas por Brown na sua tese de PhD frente a modelos matemáticos aplicados em finanças.

Mesmo vários cientístas trabalhando em cima da aleatoriedade vista por Robert Brown, uma explicação que ser mostrava relevante frente ao fenômeno não havia surgido, sendo que somente em 1905 um cientísta de vanguarda conseguiu explicar o que estava ocorrendo com as partículas quando imersas em um fluido. Esse cientísta era o alemão Albert Einstein.

Albert Einstein estudava a Teoria Cinética dos Fluidos, que dizia que uma molécula de água (tendo como modelo uma esfera) devia mover-se forma aleatória, então, uma partícula que se encontra-se no meio acabaria recebendo choques aleatórios, de potência aleatória e de direção aleatória dessas moléculas de água, ou seja, tudo se baseava em um efeito mecânico. As moléculas de água tinham movimentação vibracional, devido a quantidade de energia que as mesmas estavam expostas. Essa quantidade de energia podia ser lida na escala de temperatura, sendo que quanto mais aquecido, mais vibração as moléculas tinham, logo uma maior quantidade de movimentação aleatória. Ele mostrou também que poderia ser prevista a quantidade de espaço que uma molécula consegue se deslocar em um dado momento, através da média quadrática das distâncias (pois assim sempre haveriam valores positivos, já que se a partícula se desloca em uma direção tem um sinal e se deslocar na direção oposta teria o sinal oposto, elevando-se as distâncias ao quadrado, somem os valores negativos, plotando assim em um gráfico cartesiano uma reta). Para que a previsão se dê  há a necessidade de efetuar correções nos valores de viscosidade do meio, temperatura e tamanho das partículas. A equação que Einstein propôs:

Onde D corresponde a difusão, R é a constante dos Gases, T a temperatura em Kelvins, N o número de Avogadro, µ é a viscosidade do meio e r é o raio da partícula. Na realidade Einstein procurava uma forma para se determinar o Número de Avogadro, utilizando movimentação de partículas, porém os resultados que ele observou, ajudavam a explicar o fenômeno do Movimento Browniano.

A equação das médias quadráticas com as váriaveis em função de tempo, desenvolvida por Albert Eisntein explica por fim a movimentação aleatória das partículas.

A grande importância do Efeito Browniano está vinculada ao atomismo, sendo que essa teoria consolidou de vez o a teoria atômica, que ainda possuia certas divergências. Sendo que as predições de Albert Einstein foram confirmadas pelo físico francês Jean Baptiste Perrin em 1908, mediante ao desenvolvimento da ultramicroscopia, conseguiu pesquisar o movimento de uma grande quantidade de partículas em suspensão num fluido, onde a forma esférica das partículas podiam ser muito bem controladas. Com isso ele conseguiu observar o comportamento ideal da pressão osmótica e da lei de força de Stokes, que eram presentes na teoria de Eisntein. Esse experimento também trouxe um valor bastante mais aproximado do real do Número de Avogadro. Com tais concordâncias frente ao trabalho de vanguarda de Albert Einstein, a teoria atômica foi consolidada de vez.

Gráficos de como se dá o movimento aleatório de uma partícula suspensa em um fluido, distância quadrática x tempo.

Mais sobre esse assunto pode ser encontrado nos links a seguir:

Revista Brasileira de Ensino de Física: Einstein e a Teoria do Movimento Browniano

Movimento Browniano