Falhas da Física Classica e Aplicações da Físico-Química no dia a dia

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FISICO-QUIMICA: DAS FALHAS ATÉ NOSSO DIA A DIA 
 
No início do século XX a física clássica começou a apresentar algumas falhas e 
as leis newtonianas já não conseguiam explicar com clareza os fenômenos das escalas 
microscopias. Algumas das falhas notáveis da física clássica foram o espectro de 
radiação do corpo negro, o efeito fotoelétrico, a capacidade calorifica dos metais e os 
espectros eletrônicos. A resolução de todas estas falhas pela mecânica moderna foi de 
grande valia para a evolução da ciência e das tecnologias que conhecemos hoje, mas 
primeiramente vale destacar o espectro do corpo negro. 
O corpo negro era constituído de um corpo metálico oco contendo apenas um 
orifício aberto, de maneira em que a temperatura ambiente tal orifício aparecia negro, 
dai o nome. No entanto, quando este corpo é aquecido ele começa a irradiar luz, se 
tornando vermelho, após fica amarelado e depois disso se torna branco. Cada 
temperatura corresponde a uma coloração de luz emitida, que resulta em uma mistura 
de irradiações luminosas de diferentes frequências, e cada uma destas frequências 
contribui com uma parcela de energia para a energia total emitida pelo corpo negro. 
Estas emissões de luz podem então ser medidas por um espectrômetro e gerar um 
gráfico de intensidade versus comprimento de onda. A figura 1 traz o espectro 
característico de um corpo negro. 
Figura 1: Radiação do corpo negro. 
 
O padrão de espectro é similar para todos os metais, se apresenta com uma 
calda vindo da região dos comprimentos de onda infravermelho, atinge seu pico na 
região da luz visível e decai drasticamente na região do ultravioleta. Este era o espectro 
observado experimentalmente, porém a grande falha da física clássica se dá quando os 
físicos lorde Rayleigh e Sir James jeans desenvolvem uma explicação para essa 
irradiação baseada nas leis newtonianas, onde chegaram na chamada equação de 
Rayleigh-Jeans (equação 1). 
 
Equação 1: Equação desenvolvida por Lorde Rayleigh 
 
𝜌(𝜆, 𝑇) = 
8𝜋𝑘𝑇
𝜆4
 ( 1) 
 
 
Porém está equação somente conseguia descrever adequadamente a irradiação 
de luz nos grandes comprimentos de onda, e falhava vergonhosamente nos baixos 
comprimentos de onda, tal formula sugeria que o espectro deveria ser exponencial e 
alcançar elevadas frequências na região de ultravioleta, ou seja, todos os corpos 
deveriam irradiar energia mesmo em baixas energia, o que faria com que não existisse 
escuridão. Está falha foi tão grande que recebeu o título de “a catástrofe do ultravioleta”. 
Mas por que está falha da física clássica merece tanto destaque? Pois foi 
tentando resolve-la adequadamente que em 1900 o físico Max Planck fez uma 
descoberta que revolucionaria como a física da época era vista. Planck mostrou que a 
equação de Rayleigh-James não ajustava a curva espectral de todos os comprimentos 
de onda porque admitia que os osciladores irradiavam qualquer quantidade de energia, 
Planck então sugeriu uma nova abordagem, no qual impunha uma restrição, isto é, os 
osciladores só podiam emitir energia em determinadas quantidades e estas deveriam 
ser múltiplos inteiros de hf, como mostra na equação 2, h recebeu o nome de constante 
de Planck e possui o valor de 6,626x10-34, enquanto f é a frequência de radiação emitida. 
Está suposição ficou conhecida como a quantização de energia. 
Equação 2: Quantização de Planck 
 
𝐸 = 𝑛ℎ𝑓 (2) 
 
Agora com a quantização de energia era possível descrever adequadamente a 
emissão de luz do corpo negro com a equação 3. 
 
Equação 3: Quantização de Planck 
 
𝜌(𝜆, 𝑇) = 
8𝜋𝑘𝑇
𝜆5(𝑒
ℎ𝑐
𝜆 −1)
 (3) 
 
A quantização de energia não foi importante apenas para explicar 
adequadamente a irradiação do corpo negro, mas também para inserir a ideia de 
energia quantizada, ser quantizado significa não ser continuo, ou seja, variar segundo 
valores discretos (o quantum). Um ponto importante a destacar é que essa descoberta 
também serviu para a evolução dos modelos atômicos da época, onde a partir deste 
momento temos conhecimento dos níveis energéticos. 
 
FENOMENO FOTOELETRICO E SUA APLICAÇÃO HOJE EM DIA 
Outro ponto importante da descoberta de Planck foi a resolução do efeito 
fotoelétrico. O efeito foto elétrico é um experimento desenvolvido por Heinrich Rudolf 
Hertz, no qual para gerar ondas eletromagnéticas, hertz produzia descargas entre dois 
eletrodos. Em alguns casos ele observou que, quando a luz incidia sobre os catodos, a 
descarga ficava mais intensa. Este ficou conhecido como o efeito fotoelétrico, uma 
emissão de rádios catódicos – elétrons - induzida pela luz. Segundo as leis da física 
clássica, a luz possuía uma natureza eletromagnética e não era surpreendente que ela 
pudesse provocar a ejeção de elétrons. Um campo eletromagnético oscilante aplica a 
uma força também oscilante sobre as partículas que constituem o material, e se a força 
for suficientemente intensa e atuar durante um tempo suficiente, ela poderá produzir 
trabalho suficiente para liberar as cargas do material. Porém, assim como na radiação 
do corpo negro a física clássica cometeu alguns erros, era esperado que o efeito 
fotoelétrico possuísse as seguintes características: 
 O efeito deveria ocorrer para qualquer frequência de radiação; 
 A energia dos elétrons arrancados deveria aumentar com a intensidade 
da radiação aplicada, pois esta intensidade é proporcional ao quadrado 
do campo elétrico, e um campo maior aplica uma força maior. 
 E um elétron seria liberado quando tiver acumulado energia suficiente 
para romper as ligações com o material. Então uma intensidade de luz 
baixa deveria levar mais tempo para arrancar os elétrons. 
 
Um sistema de efeito fotoelétrico pode ser esquematizado como mostrado na 
figura 2. A luz penetra no tubo evacuado através de uma janela de quartz. Os elétrons 
emitidos pelo cátodo são acelerados pela diferença de potencial ajustável V. O 
amperímetro pode então medir a corrente I. A chave de inversão permite aplicar valores 
negativos de V, para que os elétrons sejam freados após a emissão. 
Figura 2: Esquema de um sistema fotoelétrico. 
 
 
 Os resultados típicos são mostrados como no gráfico abaixo: 
 
Figura 1: Radiação do corpo negro. 
 
 
Com uma determinada intensidade de luz L, pode ser observado que a corrente 
aumenta com a voltagem, até alcançar seu valor de saturação. Esse resultado pode ser 
interpretado como se a voltagem for suficiente, todos os elétrons, até mesmo aqueles 
que saem do catodo com pouca energia conseguem chegar até o coletor. 
Agora algumas discrepâncias em relação ao que se pensava com as leis da 
física clássica começam a aparecer. Se a intensidade da luz for aumentada, sem 
modificar sua frequência, a corrente de saturação aumenta na mesma proporção, 
porém, o valor do potencial de corte V0 permanece o mesmo. E outro fato que difere do 
que se pensava antes é de que não se observa nenhum atraso no estabelecimento da 
corrente em relação ao começo da exposição do material à luz, mesmo para 
intensidades muito baixas. 
Entendido como o efeito funcionava experimentalmente, como as previsões 
feitas pela física clássica estavam erradas e agora com a quantização de energia 
elaborada por Planck, Einstein conseguir desenvolver a resolução correta para este 
efeito. Einstein interpretou a hipótese de Planck como indicando que a radiação era 
composta de pacotes de energia, ou quantas, que hoje em dia são conhecidos como 
fótons, propagando-se como partículas, e a cada uma destas partículas ele atribuiu uma 
energia relacionada com a frequência v da radiação. 
𝐸 = ℎ𝑣 (4) 
O estado de energia prevista por Planck é então interpretado como um estado 
de n fótons. 
𝐸𝑛 = 𝑛ℎ𝑣 (4.1) 
As interações entre radiação e matéria passam a ser consideradas como 
processos de emissão e absorção de fótons. Em especial, o efeito fotoelétrico passou a 
ser interpretadocomo a absorção de um fóton pela matéria, levando à ejeção de um 
elétron. A energia neste processo permanece conservada, de maneira que w é o 
trabalho necessário para liberar o elétron do material e a energia cinética do elétron 
após a ejeção é: 
𝐾 = ℎ𝑣 − 𝑤 (4.2) 
O trabalho w não é o mesmo para todos os elétrons, onde o valor de w0 é um 
valor característico das ligações moleculares de cada material. Este trabalho mínimo 
leva a máxima energia cinética do elétron mínimo, para uma dada frequência. 
𝐾𝑚𝑎𝑥 = ℎ𝑣 − 𝑤0 (4.3) 
E se o lado direito desta equação for negativo, não haverá possibilidade de o 
efeito ocorrer. Ou ainda, o efeito ocorrerá somente em uma frequência especifica 
superior a um valor v0 dado por: 
ℎ𝑣0 = 𝑤0 (4.4) 
Com isso, em valores menores de frequência, o fóton não traz energia suficiente 
para vencer a função trabalho e o elétron não se desprende do material. 
Concluindo toda a descoberta de Einstein, a energia cinética máxima dos 
elétrons, e, portanto, o v0, depende da frequência da radiação, mas não da sua 
intensidade. Na visão corpuscular, aumentar a intensidade da radiação significa 
aumentar a quantidade de fótons incidente por segundo. O número de elétrons liberados 
por segundo, ou seja, a corrente elétrica aumenta na mesma proporção, como 
observado experimentalmente. 
Agora com o efeito fotoelétrico experimentalmente e teoricamente perfeitamente 
entendido começaram as aplicações em diversas áreas da tecnologia, como por 
exemplo, em Televisões de LCD e plasma, nos controles remotos, em diversos 
sensores, dispositivos de visão noturna, etc. 
Uma das aplicações mais interessantes do efeito fotoelétrico é nas câmeras 
digitais, como as que carregamos diariamente em nosso smartphones. Como vimos 
anteriormente a luz é uma onda eletromagnética caracterizada por um comprimento de 
onda. Essa radiação eletromagnética é quantizada e, por isso, pode ser interpretada 
como pacotes de energia, fótons. Nas câmeras fotográficas existem um sistema 
possuindo um semicondutor, isto é, um material que não é nem condutor e nem isolante. 
Ele está entre estes dois citados. Além disso, é um material que pode ser modificado de 
forma a torna-lo mais condutor. Uma forma de fazer com que este semicondutor se torne 
mais condutor, ou seja, conduza mais eletricidade, é fazer com que ele possua uma 
quantidade maior de elétrons para serem conduzidos. Quando dois tipos de 
semicondutores P e N (os quais possuem diferenças nas suas estruturas cristalinas) é 
formada uma região de depleção, o que cria uma barreira de potencial impedindo os 
elétrons de se transportarem para o semicondutor, podemos então incidir luz sobre essa 
região e, através do efeito fotoelétrico, fazer com que os elétrons de bande de valência 
dentro da região de depleção ganhem energia suficiente para passarem pela banda de 
condução e, então, serem transportadas pelo campo elétrico gerado pela barreira de 
potencial. Essa mobilidade de cargas através da região de depleção gera uma diferença 
de potencial nas extremidades do semicondutor. Um dos métodos que é utilizado para 
saber a intensidade da luz que está excitando esses elétrons é a DDP (diferença de 
potencial). E esse método de operação com qual é detectado a luz é chamado de 
fotovoltaico. 
Sabendo como a intensidade da luz pode ser detectada são utilizados filtros e 
detectores capazes formar e distinguir diversas cores advindas te todos os lados, 
tornando possível gerar uma imagem na câmera. Tudo isso não seria capaz sem a 
utilização do efeito fotoelétrico. 
 
 
REFERÊNCIAS 
ATKINS, Peter; PAULA, Julio de; FRIEDMAN, Ronald. Quanta, Matéria e Mudança - 
Uma Abordagem Molecular para a Físico-Química v. 2 - 1. ed, Rio de Janeiro: LTC, 
2011, p. 22. 
Efeito fotoelétrico. Física moderna – if – UFRGS, 2009?. Disponível em: 
https://www.if.ufrgs.br/tex/fis142/fismod/mod03/m_s02.html. Acesso em: 13, ago de 
2022. 
CHIBENI, S. SILVIO.O surgimento da física quântica. IFCH – INICAMP. Disponível 
em:< https://www.unicamp.br/~chibeni/textosdidaticos/fisquantica.pdf>. Acesso em: 14 
ago. 2022. 
Foto diodo e o armazenamento de imagens em uma câmera digital. ENFITEC – 
UFRGS, 2016?. Disponível em: https://www.ufrgs.br/enfitecjunior/blog/o-fotodiodo-e-o-
armazenamento-de-imagens-em-uma-camera-digital/. Acesso em: 15, ago de 2022.