Fotons e Efeito Fotoeletrico

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O que são fótons? 
Segundo Isaac Newton (1643-1727), a luz era composta por partículas 
corpusculares, pequenas esferas que colidiam com as superfícies e sofriam reflexão 
e refração. Anos mais tarde com os estudos do eletromagnetismo e as contribuições 
de James Maxwell (1831-1879), a luz foi definida como uma onda eletromagnética, 
isto é, uma combinação de campos elétricos e magnéticos variáveis que se propagam 
no espaço. 
Quando uma grandeza é encontrada apenas em múltiplos inteiros de uma 
quantidade elementar (denominada de quantum), diz-se que ela é quantizada. No 
século XX, Albert Einstein (1879-1955) propôs que a radiação eletromagnética 
deveria ser quantizada e a quantidade elementar que definia a luz era o fóton. 
Onda ou partícula? 
Enfim, a luz é um tipo de onda ou um emaranhado de partículas que se 
propagam no espaço? A resposta a essa pergunta é intrigante. A luz é tanto onda 
quanto partícula. A dualidade onda-partícula da luz mostra-nos esse seu 
comportamento duplo. 
A luz sofre fenômenos como refração ,dispersão e polarização ,característicos 
das ondas .No entanto ,para se compreender o efeito fotoelétrico ,por exemplo ,deve-
se considerar que ela é composta pelas partículas denominadas de fótons. 
Fótons 
Os fótons são as partículas que compõem a luz e podem ser definidos como 
pequenos “pacotes” que transportam a energia contida nas radiações 
eletromagnéticas. Segundo Einstein, um fóton deve possuir uma quantidade fixa de 
energia, definida pela seguinte equação: 
 
Nessa equação, E é a energia pertencente ao fóton, f é a frequência da radiação 
eletromagnética (Hz) e h é a constante de Planck, que possui valor de 6,63 x 10 – 34J.s 
ou 4,14 x 10 – 15 eV.s. 
Segundo essa definição, a quantidade mínima de energia que uma onda 
eletromagnética deve possuir corresponde ao produto h.f, e qualquer valor de energia 
para uma radiação eletromagnética deve ser um múltiplo inteiro desse produto. 
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Massa do fóton 
Segundo Einstein, a energia de um objeto depende de uma relação entre sua 
massa e sua velocidade. 
 
Na equação acima, E é a energia acumulada por um corpo, m é a massa do 
elemento e c é a velocidade da luz. Igualando essa equação àquela que define a 
energia de um fóton, podemos definir sua massa. Esse elemento não possui massa 
de repouso, ou seja, não apresentará massa se estiver em repouso. 
Fótons possuem quantidade de movimento 
Quando um fóton interage com a matéria, ocorre transferência de energia, 
portanto, pode-se definir que esse elemento possui movimento linear (p), também 
chamado de quantidade de movimento. 
 
Na equação acima, P é a quantidade de movimento do fóton, h é a constante 
de Planck (6,63 x 10 – 34J.s ou 4,14 x 10 – 15 eV.s) e λ é o comprimento de onda da 
radiação eletromagnética. 
Fótons no dia a dia 
Algumas tecnologias do cotidiano funcionam a partir da interação com fótons. 
As lâmpadas que se acendem sozinhas estão conectadas a um dispositivo 
denominado célula fotovoltaica. Esse equipamento libera elétrons ao receber os 
fótons que compõem a luz solar. Essa corrente elétrica, ao passar por uma bobina, 
gera um campo magnético que mantém o circuito aberto. Durante a noite, com a falta 
da luz solar, o fluxo de elétrons é interrompido, causando fechamento do circuito e 
acendendo a lâmpada. 
Outra aplicação é o aparelho denominado de fotômetro. Muito utilizado por 
fotógrafos, esse equipamento é um medidor de luminosidade que determina a 
intensidade de uma fonte luminosa por meio da recepção de fótons. 
 
O que é efeito fotoelétrico? 
 
O QUE É? 
O efeito fotoelétrico é um processo de emissão de elétrons por alguns materiais 
quando iluminados por frequências específicas de ondas eletromagnéticas. 
O efeito fotoelétrico é um fenômeno de origem quântica que consiste na 
emissão de elétrons por algum material que é iluminado por radiações 
eletromagnéticas de frequências específicas. Os elétrons emitidos por esses 
materiais são chamados de fotoelétrons. 
Quem descobriu o efeito fotoelétrico? 
O efeito fotoelétrico foi descoberto em 1886 pelo físico alemão Heinrich Hertz 
(1857-1894). Na ocasião, Hertz percebeu que a incidência da luz ultravioleta em 
chapas metálicas auxiliava a produção de faíscas. A explicação teórica para o efeito 
fotoelétrico, entretanto, só foi apresentada pelo físico alemão Albert Einstein, em 
1905. 
A dúvida que existia na época estava relacionada com a energia cinética dos 
elétrons que eram ejetados do metal: essa grandeza não dependia da intensidade 
da luz incidente. Einstein percebeu que o agente responsável pela ejeção de cada 
elétron era um único fóton, uma partícula de luz que transferia aos elétrons uma parte 
de sua energia, ejetando-o do material, desde que sua frequência fosse grande o 
suficiente para tal. Para tanto, Einstein muniu-se das ideias do físico alemão Max 
Planck (1858-1947). 
Planck afirmava que a luz irradiada por um corpo negro era quantizada, isto é, 
apresentava um valor mínimo de energia, como em pequenos pacotes. Einstein 
ampliou a ideia para todas as ondas eletromagnéticas e conseguiu resolver o 
problema do efeito fotoelétrico. Einstein e Planck receberam mais tarde o prêmio 
Nobel de Física por suas descobertas relacionadas à quantização da luz. 
Como funciona o efeito fotoelétrico? 
O efeito fotoelétrico consiste na ejeção de elétrons de um material exposto a 
uma determinada frequência de radiação eletromagnética. Os pacotes de luz, 
chamados de fótons, transferem energia para os elétrons. Se essa quantidade de 
energia for maior do que a energia mínima necessária para se arrancar os elétrons, 
estes serão arrancados da superfície do material, formando uma corrente de 
fotoelétrons. 
A energia de cada fóton depende de sua frequência (f), portanto, existe uma 
frequência mínima necessária para arrancar os elétrons do material. A energia 
mínima que cada fóton deve ter para promover o efeito fotoelétrico é chamada de 
função trabalho. A equação a seguir permite calcular a energia de um único fóton de 
frequência f: 
 
 A energia cinética que o elétron adquire após ser atingido por um fóton é 
determinada pela diferença da energia do fóton com a função trabalho (Φ): 
 
A função trabalho é uma característica de cada material e depende do quão 
ligados estão os elétrons no material. 
Aplicações tecnológicas do efeito fotoelétrico 
A mais famosa aplicação tecnológica baseada no efeito fotoelétrico é a célula 
fotovoltaica, utilizada nos painéis solares para gerar energia elétrica limpa e 
renovável. 
 
Elétrons 
Os elétrons são partículas que fazem parte da constituição do átomo. Este, por 
sua vez, possui duas regiões principais, o núcleo (parte central, densa, compacta e 
maciça) e a eletrosfera (uma região periférica ao redor do núcleo). Os elétrons ficam 
na eletrosfera do átomo, movimentando-se ao redor do núcleo em órbitas 
circulares chamadas de camadas eletrônicas. 
Segundo o modelo atômico de Rutherford-Bohr, existem, no máximo, sete 
camadas eletrônicas, mas somente algumas órbitas circulares são permitidas ao 
elétron, pois, em cada uma dessas órbitas, o elétron apresenta energia constante. 
A palavra “élétron” vem do grego elektron, que significa âmbar — uma 
resina excretada por determinados tipos de vegetais para proteção contra insetos e 
micro-organismos. Com o passar do tempo, essa resina perde água e endurece, 
tornando-se uma resina fossilizada. O filósofo grego Tales de Mileto (625 a.C. - 546 
a.C.) observou que, ao esfregar o âmbar com tecidos, como seda, lã ou camurça, ele 
passava a atrair objetos leves, ficando “eletrizado”. 
Com o tempo, várias descobertas sobre a natureza elétrica da matéria foram 
realizadas, mostrando assim que a matéria possuía em sua constituição cargas 
negativas e positivas. Mas foi somente em 1856 que a explicação para esse 
fenômeno da eletricidadepassou a ganhar forma. O físico inglês Sir Willian Crookes 
(1832-1919) criou o que ficou conhecido como ampola de Crookes, um tubo de vidro 
vedado onde se colocavam gases sob pressões baixíssimas e que apresentava um 
polo negativo e outro positivo nas extremidades da ampola, os eletrodos. 
A aplicação de uma diferença de potencial entre os eletrodos gerava um feixe 
luminoso, que ficou conhecido como raio catódico, pois ele sempre saía do eletrodo 
negativo (cátodo) para o eletrodo positivo (ânodo). 
Anos mais tarde, em 1897, o cientista inglês Joseph John Thomson (1856-
1940) realizou mais experimentos com esse tubo de raios catódicos que culminaram 
na descoberta dos elétrons. Ele concluiu o seguinte: 
* Esses raios catódicos são parte integrante de toda matéria, pois, mesmo 
trocando os gases, o resultado para esse experimento repete-se. Dessa forma, trata-
se de uma partícula subatômica; 
* Esses raios têm massa porque eles são capazes de movimentar uma pequena 
hélice dentro do tubo; 
* Eles possuem carga negativa porque, ao colocar um campo elétrico do lado 
de fora da ampola, os raios catódicos sofrem um desvio, sendo atraídos para a placa 
positiva. 
Desse modo, os raios catódicos foram denominados de elétrons e foram 
considerados a primeira partícula subatômica descoberta. 
 
Hoje sabemos que os elétrons são as partículas de menor massa que compõem 
o átomo. São necessários 1836 elétrons para chegar à massa de um próton ou 
de um nêutron, que são as partículas que compõem o núcleo atômico. Sua carga 
relativa é de -1 e, em coulomb, é de -1,602. 10-19. 
Veja alguns aspectos interessantes sobre os elétrons que explicam vários 
fenômenos que conhecemos: 
* Os elétrons emitem radiações: Sabe quando cai um pouco de sal na chama 
do fogão e a cor fica um amarelo bem intenso? Isso ocorre porque, conforme 
mencionado, o modelo atômico de Rutherford-Bohr diz que os elétrons ficam em 
órbitas com determinada quantidade de energia. Quando um desses elétrons recebe 
energia (como por meio do calor), ele salta de uma órbita de menor energia para uma 
órbita de maior energia, ficando em um estado excitado. Porém, esse estado é 
instável e o elétron perde rapidamente a energia que ganhou em forma de radiação 
visível, que é a cor que visualizamos, e volta para o seu estado fundamental. 
Cada átomo possui camadas eletrônicas com determinadas quantidades de 
energia, assim, cada sal formado por um tipo de metal emite uma radiação de cor 
diferente. O sódio emite a cor amarela, o bário emite cor verde, o lítio emite cor 
vermelha, o alumínio emite cor branca e assim por diante. Esse princípio é usado 
para a confecção dos fogos de artifício. Veja mais sobre como isso ocorre por meio 
do seguinte experimento: Teste de chama: transição eletrônica. 
* A corrente elétrica e os elétrons: A corrente elétrica nada mais é do que um 
fluxo ordenado de elétrons. No metal, existem elétrons livres que, pela ação de um 
campo elétrico ou magnético, são ordenados em um fluxo dentro da rede cristalina do 
metal. Esse ponto é muito importante, pois sabemos que, sem eletricidade, a nossa 
sociedade não seria a mesma. 
* Os elétrons são transferidos entre os átomos: Os átomos ligam-se pela 
transferência ou compartilhamento de elétrons. Seguindo a teoria do octeto, para um 
átomo ficar estável, ele precisa ter oito elétrons na sua camada de valência (camada 
eletrônica mais externa), adquirindo, assim, configuração de gás nobre. Por isso, os 
átomos dos elementos transferem ou compartilham seus átomos através de, 
respectivamente, ligações iônicas ou ligações covalentes, formando os compostos 
tão estáveis que temos ao nosso redor e dentro de nós. 
 
Elétrons como ondas 
A explicação de Einstein para o efeito fotoelétrico foi aceita pela comunidade 
científica após o seu prêmio Nobel em 1921: o efeito Compton trazia apoio 
experimental incontestável. O conjunto dos trabalhos matemáticos a partir da hipótese 
quântica, de Planck, produzia resultados consideráveis, como cálculos precisos de 
constantes que antes só poderiam ser determinadas experimentalmente (como o 
número de Avogadro). A crescente melhora dos equipamentos confirmava a precisão 
dos valores calculados. Assim, o debate sobre a natureza da luz nunca estivera tão 
acalorado. 
No ano de 1924, um príncipe francês surpreendeu a todos. Louis De Broglie 
apresentou à comunidade sua tese. De Broglie sugeria que o dualismo que valia para 
a radiação deveria valer também para as partículas. Imaginando que, de alguma 
forma, o dualismo onda-partícula fosse inerente aos fenômenos quânticos, ele propôs 
que haveria uma simetria entre o comportamento de elétrons e de fótons. 
Assim, de maneira análoga ao comportamento corpuscular manifestado pela 
luz, de Broglie sugeriu que os elétrons deveriam manifestar comportamento 
ondulatório. Do ponto de vista matemático, a solução pode ser mostrada de forma 
relativamente simples. Já se estabelecera, para o fóton, que o momento linear era:
 
Como, para partículas dotadas de massa, o momento linear é dado pelo produto: 
Q=m.v 
A combinação das duas sugere que, de acordo com de Broglie, um elétron, de 
massa m e dotado de velocidade v, deve se comportar como uma onda, cujo 
comprimento de onda seria: 
 
Chamado comprimento de onda de de Broglie. 
 
principios da incerteza de heisenberg 
No estudo da (Mecânica Clássica), você deve ter notado que sabendo a posição 
inicial e o momento (massa e velocidade) de todas as partículas pertencentes a um 
sistema, podemos calcular suas interações e prever como elas se comportarão. 
Porém, para a mecânica Quântica, esse processo é um pouco mais complexo. 
No final da década de 1920, Heisenberg formulou o chamado princípio da 
incerteza. De acordo com esse princípio, não podemos determinar com precisão e 
simultaneamente a posição e o momento de uma partícula. 
Ou seja, em uma experiência não se pode determinar simultaneamente o valor 
exato de um componente do momento px de uma partícula e também o valor exato 
da coordenada correspondente, x. Em vez disso, a precisão de nossa medida está 
limitada pelo processo de medida em si, de forma tal que ∆px . ∆x ≥ , onde px é 
conhecido como a incerteza de ∆px, e a posição x no mesmo instante é a incerteza 
∆x. Aqui (Lê-se h cortado) é um símbolo simplificado para h/2π, onde h é a 
constante de Planck. 
A razão dessa incerteza não é um problema do aparato utilizado nas medidas 
das grandezas físicas, mas sim a própria natureza da matéria e da luz. 
Para que possamos medir a posição de um elétron, por exemplo, precisamos 
vê-lo e, para isso, temos que iluminá-lo (princípio básico da óptica geométrica). Além 
disso, a medida será mais precisa quanto menor for o comprimento de onda da luz 
utilizada. Nesse caso, a física quântica diz que a luz é formada por partículas (fótons), 
que têm energia proporcional à frequência dessa luz. Portanto, para medir a posição 
de um elétron precisamos incidir sobre ele um fóton bastante energético, já que 
quanto maior for a frequência, menor é o comprimento de onda do fóton. 
No entanto, para iluminar o elétron, o fóton tem que se chocar com ele, e esse 
processo transfere energia ao elétron, o que modificará sua velocidade, tornando 
impossível determinar seu momento com precisão. Esse princípio proposto por 
Heisenberg se aplica somente ao mundo subatômico, uma vez que a energia do fóton 
transferida para um corpo macroscópico não seria capaz de alterar sua posição. 
	O que são fótons?
	O que é efeito fotoelétrico?
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	Quem descobriu o efeito fotoelétrico?
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