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Lista de Exercícios

Aula 13.99: Efeito fotoelétrico

Experimento de Philipp Von Lenard

Philipp Von Lenard (★ 1862 — 1947 ✝) foi o físco alemão que concebeu o seguinte experimento: Uma ampola de gás interior rarefeito tem em suas extremidades internas duas placas condutoras eletrizadas, uma negativamente (cátodo) e outra positivamente (anôdo), as quais ligam-se a um gerador. Compondo o aparato experimental há também um gerador de luz (ondas eletromagnéticas) que focaliza no cátôdo. A experiência consiste em disparar luz contra o catôdo e analizar, por intermédio de um amperímetro, a corrente no circuito cátodo-anôdo.

Realizando-se o experimento, sem gerador elétrico (com DDP nula),observava-se que:

Variando-se a DDP no gerador, constata-se que:

Abordagem clássica do fenômeno

Muitos dos efeitos observados no experimento podiam ser explicados por vias da física clássica, já outros eram incompreensíveis.

A) Se não há incidência luminosa, não há corrente elétrica: Isto é previsto mesmo na teoria clássica, se não há intensidade luminosa incidente sobre a pláca, não há energia para provocar qualquer movimentação de elétrons.

B) A corrente elétrica ocorre quase que instantaneamente após a incidência luminosa e isto não depende da intensidade luminosa: Isto não se justifica por meio da teoria clássica; pois, considerando que, promovendo uma incidencia luminosa pequena, poderíamos paulatinamente alimentar os elétrons de energia, até que eles, depois de um intervalo de tempo não despresível, rompessem ligação com o cátodo e migrasse para o anôdo.

C) A corrente elétrica depende da intensidade luminosa: A teoria clássica já previa que uma maior intensidade luminosa implicaria em maior energia, e maior energia movimentaria mais elétrons, influenciando na corrente elétrica.

D) A corrente elétrica depende da frequência da luz: Não era previsto na teoria clássica que a energia dependesse da frequência das ondas incidentes.

E) Abaixo de uma determinada frequência, a corrente elétrica torna-se nula; não importa o quão intensa seja a incidência luminosa. A frequência de corte depende da matéria constituinte do cátodo. A frequência de corte depende da matéria constituinte do cátodo: A teoria clássica também não era capaz de explicar este ponto.

F) Para uma dada intensidade luminosa, o aumento da DDP impõe um limite de intensidade de corrente elétrica: Para uma dada intensidade luminosa, o aumento da DDP impõe um limite de intensidade de corrente elétrica: Absolutamente compreensível por meio da teoria clássica. Quando não há DDP, os elétrons são ejetados do cátodo para todas as direções; quando é imposta uma DDP positiva, os elétrons são direcionados ao anôdo. A corrente limite acontece quando a DDP for suficientemente grande para impelir todos os elétrons, que partem do cátodo, para o anôdo.

G) Para um dado tipo de cátodo, existe uma DDP que impede a propagação de corrente elétrica: Para um dado tipo de cátodo, existe uma DDP que impede a propagação de corrente elétrica: Não compreensível.

A solução de Einstein (1905)

Como estudamos na aula anterior, Plank descreve satisfatóriamente o espectro de emissão de radiação de um corpo negro propondo a quantização da energia. Albert Einstein (★ 1879 — 1955 ✝) em 1905, inspirado pelos trabalhos de Planck, resolveu o impasse que se apresentava entre o fenômeno observado e a teoria clássica. Para resolver este problema, ele propõs os seguintes postulados:

I. A luz é constituída por fótons que carregam pacotes de energia denominados "quantum" (quantum = h.f);

II. Em uma interação entre um fóton e um elétron toda a energia do fóton é transferida ou nada da energia é transferida;

III. As interações acontem aos pares: só único fóton interage exclusivamente com um único elétron.

Com estes postulados, as observações inexplicáveis no contexto clássico, tornam-se explicaveis.

A) A explicação desta observação vai na linha da explicação clássica.

B) A corrente elétrica ocorre quase que instantaneamente após a incidência luminosa e isto não depende da intensidade luminosa: Agora, é-nos compreensível este fenômeno, pois a energia chega até a placa em pacotes e é indiferente haver poucos pacotes (baixa intensidade luminosa) ou muitos pacotes (alta intensidade luminosa). Se a frequência destes pacotes for a adequada, estes pacotes, mesmo que poucos, conseguirão remover o elétron e ele será lançado para o anôdo.

C) A corrente elétrica depende da intensidade luminosa: Quanto mais pacotes chegarem (quanto maior a intensidade), mais elétrons serão ejetados e serão capazes de provocar corrente elétrica.

D) A corrente elétrica depende da frequência da luz: Explica-se no postulado I.

E) Abaixo de uma determinada frequência, a corrente elétrica torna-se nula; não importa o quão intensa seja a incidência luminosa. A frequência de corte depende da matéria constituinte do cátodo. A frequência de corte depende da matéria constituinte do cátodo: Cátodos diferentes possuem diferentes constituições químicas. Com efeito, possuem diferentes funções trabalho; deste modo, dada uma função trabalho, apenas luz acima de uma frequência miníma terá pacotes de energia capaz de remover elétrons do cátodo.

F) Para uma dada intensidade luminosa, o aumento da DDP impõe um limite de intensidade de corrente elétrica: A explicação é mesma que foi dada no contexto clássico.

G) Para um dado tipo de cátodo, existe uma DDP que impede a propagação de corrente elétrica: Para uma dada função trabalho, está definida a quantidade de energia necessária para se remover um elétron do átomo e a energia cinética que este elétron possuirá. Quando a DDP for grande o bastante para gerar uma força elétrica capaz de frear este elétron, não haverá mais corrente elétrica.