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.