Agenildo Aula 1 Relatório do Experimento sobre o Efeito Fotoelétrico Virtual

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UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEARÁ
INSTITUTO UFC VIRTUAL
LICENCIATURA EM FÍSICA
INSTRUMENTAÇÃO E PRÁTICA NO ENSINO DE FÍSICA MODERNA
AULA 2 – ATIVIDADE PRÁTICA 2
PRÁTICA: EFEITO FOTOELÉTRICO VIRTUAL
Agenildo Alves de Vasconcelos
José Alves de Lima Junior
Tutor
Camocim-CE
Abril/2018
http://www.solar.virtual.ufc.br http://portal.virtual.ufc.br
1 INTRODUÇÃO
 A expectativa desse relatório deve corresponder à proposta feita na disciplina instrumentação e prática no ensino de física moderna lançada pelo professor José Alves. A tarefa consiste em avaliar como experimento sobre efeito fotoelétrico usando o software (fotoele.exe) Alexandre Pinheiro-UECE, Marcos Antônio e Nildo Loiola ambos da UFC para calcular a frequência da prata, sódio, alumínio e ferro usando dez filtros com valores de comprimento de onda deferentes.
Pesquisei pelo dois artigos do Professor Carlos Alberto dos Santos da UFRGS que fala do efeito fotoelétrico e da historia do mesmo onde construí no Cmaptools um mapa conceitual para demonstrar de forma simplificada.
Fonte: Autor
 
	
	Aproveitando a pesquisa construí outro mapa conceitual demonstrando as aplicações do efeito fotoelétrico na vida das pessoas valem ressaltar que essas são só algumas situações do cotiado.
2 OBJETIVO
Estudar o efeito fotoelétrico.
Determinar a constante de Planck a partir do efeito fotoelétrico.
3 MATERIAL VIRTUAL
Fonte de tensão para lâmpada
Lâmpada em compartimento fechado
Filtros de interferência (conjunto com 10 comprimentos de onda diferentes)
Amplificador
Fotocélulas (conjunto com quatro fotocélulas de metais diferentes)
Compartimento para fotocélulas
Voltímetro
Cabos diversos
4 FUNDAMENTOS
A história do efeito fotoelétrico e das células fotoelétricas começa por volta de 1887 quando Heinrich Hertz estava a preparar as suas célebres experiências sobre a detecção e produção de ondas eletromagnéticas. Hertz observou que ao iluminar um bloco de zinco com luz ultravioleta este ficava eletrizado. Era o aparecimento do efeito fotoelétrico!
Posteriormente muitas experiências foram feitas: mudando a cor da luz incidente, mudando a intensidade da luz e variando o metal utilizado. Estas experiências levaram a resultados surpreendentes do ponto de vista da teoria clássica.
De acordo com as experiências, o efeito fotoelétrico depende da frequência (isto é, da cor) e não da intensidade da fonte de luz. Classicamente esperava-se que o efeito dependesse da intensidade, pois a energia da onda luminosa dependeria da amplitude e não da frequência. Os resultados experimentais mostravam que ao se iluminar um metal com luz de frequências cada vez menores, havia uma frequência de corte característica, abaixo da qual não há efeito fotoelétrico, qualquer que seja a intensidade da luz.
Einstein, generalizando a ideia dos "quanta" de Planck, substituiu a concepção ondulatória da luz, por uma concepção corpuscular em interação com a matéria. Einstein propôs:
- A luz é constituída de fótons, cada fóton transportando uma energia
E = hv	(1)
Sendo v a frequência da onda.
- A intensidade luminosa é determinada pelo número de fótons.
Se, para um dado metal, Wo for a energia mínima para liberar os elétrons, haverá um limiar na frequência da luz vo:
hvo = Wo	(2)
Wo é denominado de função trabalho do material.
Se um fóton com v>vo interagir com um elétron, este adquire uma energia cinética máxima, Ec, tal
Ec = hv - Wo	(3)
Alguns fótons poderão adquirir uma energia cinética menor do que Ec se partirem de uma certa
distância abaixo da superfície.
Em nosso experimento virtual, utilizaremos uma fotocélula de alto vácuo na qual um eletrodo metálico em forma de uma meia casca cilíndrica, Figura 1, é iluminado com luz monocromática de freqüência v. Quando um fóton de freqüência v atingir o catodo, um elétron pode então ser liberado do metal se a energia for suficiente. Alguns dos elétrons liberados atingem o anodo (não iluminado e localizado no eixo da casca cilíndrica) e uma voltagem se estabelece entre catodo e anodo. Em pouco tempo a voltagem atinge um valor limite U.
Figura 1. Fotocélula.
Então,
 
(4)
onde m é a massa de repouso do elétron e V sua velocidade. Desta forma, um elétron só atingirá o anodo se sua energia cinética for pelo menos igual à sua energia no campo elétrico:
onde e é a carga do elétron.
Substituindo na Equação 5.4, temos:
eU = 1 mV 2
 2
eU =hv - Wo
(5)
(6)
Dividindo ambos os lados pela carga elementar, temos:
Então, do gráfico de U versus v a constante de Planck h, pode ser determinada, bem como a função trabalho do metal considerado.
5 PROCEDIMENTOS
Na Figura 2 mostramos a aparência inicial do programa com o arranjo experimental virtual.
Figura 5.2. Arranjo experimental virtual.
Escolha a fotocélula com o metal desejado, para isso clique uma vez com o mouse sobre a fotocélula desejada (uma das 4 na parte central superior), desloque a seta do mouse (não é arrastar) para uma posição sobre a caixa onde está escrito metal, clique novamente o mouse.
Ilumine a fotocélula com um dos filtros de interferência mostrados. Para isso clique uma vez sobre o filtro desejado e para posicioná-lo na saída da fonte de luz, clique novamente com o mouse na lateral superior da caixa escura da esquerda, onde está a fonte de luz. Observe que na lateral da caixa aparece o comprimento de onda da luz selecionada pelo filtro. Obs. Os filtros estão enfileirados em ordem crescente (da esquerda para a direita) de comprimento de onda. Anote na Tabela 5.1 o comprimento de onda do filtro escolhido.
Regule a fonte de tensão (situada à esquerda) para uma voltagem de 5V ou mais.
A voltagem limite gerada na fotocélula é lida no voltímetro à direita depois que o sinal passa no amplificador (aparelho lilás). Anote na Tabela 5.1 a voltagem correspondente.
Repita o procedimento usando outros filtros de interferência. 
6- Repita o procedimento para fotocélulas com outros metais.
Nessa imagem mostra a interface do software (fotoele.exe) mostra que usei na fonte uma tensão de 10V para todos os quatros elementos e dez filtros.
 
Fonte: fotoele.exe 
6 TABELA DOS RESULTADOS EXPERIMENTAIS 
7- Preencha as outras lacunas da Tabela 5.1.
Tabela 5.1. Resultados “Experimentais”.
	𝝺 (nm)
	Metal (Ag)
U (10 V)
	Metal (Na)
U (V)
	Metal (Al)
U (V)
	Metal (Fe)
U (V)
	v (1012Hz)
	150
	3,58
	6,03
	4,23
	3,81
	2000
	190
	1,83
	4,28
	2,48
	2,06
	1578
	250
	0,25
	2,71
	0,91
	0,49
	1200
	270
	0,00
	2,34
	0,54
	0,12
	1111
	300
	0,00
	1,88
	0,01
	0,00
	1000
	380
	0,00
	0,99
	0,00
	0,00
	789
	420
	0,00
	0,69
	0,00
	0,00
	714
	470
	0,00
	0,37
	0,00
	0,00
	638
	530
	0,00
	0,07
	0,00
	0,00
	566
	580
	0,00
	0,00
	0,00
	0,00
	517
7 QUESTIONÁRIO 
Faça o gráfico de U(V) versus v (1012Hz). 
Gráfico do elemento prata:
	
Gráfico do elemento sódio:
Gráfico do elemento alumínio:
Gráfico do elemento ferro:
Determine a constante de Planck pelo gráfico da questão anterior e compare com o valor da literatura. 
Dados:
Determine a função trabalho para cada metal utilizado e compare com o valor da literatura.
Na tabela estão apresentados funções trabalho encontrados na literatura e os encontrados através dos gráficos. 
	Elemento
	Prata
	Sódio
	Alumínio
	Ferro
	Literatura (𝞍)
	4,73
	2,28
	4,08
	4,50
	Encontrados (𝞍)
	4,60
	2,14
	3,34,14
Fonte: wikiciencias.
Para elemento prata segundo o gráfico a frequência é aproximadamente 1200 1012 Hz
Para elemento sódio segundo o gráfico a frequência é aproximadamente 517 1012 Hz
Para elemento alumínio segundo o gráfico a frequência é aproximadamente 789 1012 Hz
Para elemento ferro segundo o gráfico a frequência é aproximadamente 1000 1012 Hz
A pele humana é relativamente insensível à luz visível, mas a luz ultravioleta pode ser bastante prejudicial. Justifique em termos da energia do fóton.
Para emissão de ondas eletromagnéticas que ocorre frequentemente é a infravermelha que caracteriza a perda de calor. A ordem dos "tipos" de ondas eletromagnéticas da maior para a menor frequência são: Raio gama, raio X, raio ultravioleta, luz visível parte do espectro que o nosso cérebro consegue codificar, infra vermelho, micro-ondas, ondas de radio. A luz visível não nos afeta, porquê as transições eletrônicas dos elétrons da molécula de DNA de nossa pele requerem energias superiores às correspondentes da luz visível que não tem energia suficiente devido a sua frequência não ser capaz de arrancar fótons de nosso DNA.
A energia necessária para remover um elétron do Sódio metálico é 2,28 eV. Uma luz vermelha, com comprimento de onda de 680nm, provocará efeito fotoelétrico no Sódio? Qual o comprimento de onda do limiar fotoelétrico do sódio e a que cor corresponde esse limiar?
Uma luz vermelha, com comprimento de onda de 680nm, provocará efeito fotoelétrico no Sódio?
Elétron do Sódio metálico é 2,28 eV
λ = 680nm
h = 6,63 ∙ 10-34 J ∙ s 
c = 3 ∙ 108 m ⁄ s 
Uma luz vermelha, com comprimento de onda de 680nm, provocará efeito fotoelétrico no Sódio?
O que nos indica que com este valor calculado o elétron não pode ser removido. 
Qual o comprimento de onda do limiar fotoelétrico do sódio e a que cor corresponde esse limiar?
Este resultado é justamente o comprimento de onda de corte que nos indica o valor ideal para se atingir o valor da função trabalho.
A função trabalho do tungstênio é 4,50 eV. Calcule a velocidade com que os elétrons são emitidos quando iluminados por uma luz cujos fótons têm a energia de 5,80 eV.
Uma lâmpada emite radiação monocromática de comprimento de onda de 630nm. A sua potência nominal é de 60W. Supondo uma eficiência de 90% na conversão de energia elétrica em luz, quantos fótons esta lâmpada emite por segundo?
8 CONCLUSÃO 
O Software apesar de simples, mas muito bom e fácil de manusear, além de ser didático atingiu todas as expectativas de aprendizagem. Através dos dados obtido com a manipulação do Software, tensão versus frequência, calculados no segundo experimento foi possível determinar com relativa precisão a constante de Planck, bem próximo da literatura.
 Vale ressaltar que foram construídos quatro gráficos exatamente para os elementos prata, sódio, alumínio e ferro usando os dez filtros. Através dos resultados é possível afirmar que a energia do fóton é quantizada e sua energia é diretamente proporcional à frequência e inversamente proporcional ao comprimento das ondas eletromagnéticas.
	
REFERENCIA BIBLIOGRÁFICAS 
1. NUSSENZVEIG, H. Moysés, Curso de Física Básica, Volume IV, Relatividade e Física Moderna. 4a edição - 2002. Editora Edgard Blucher ¨ Ltda.
2. HALLIDAY, David, RESNICK, Robert e KENNETH, Krane S., Física 4. 5a edição - 2003. LTC - Livros Técnicos e Científicos Editora. S.A. Rio de Janeiro
3. Jennifer Rocha Vargas Fogaça. Luz solar e a radiação ultravioleta.
<http://mundoeducacao.bol.uol.com.br/quimica/luz-solar-radiacao-ultravioleta.htm>. Acesso em 30 de Março de 2018.
4. SANTOS, Carlos Alberto, (UFRGS). Artigo: Um físico iluminado. <http://www.cienciahoje.org.br/noticia/v/ler/id/2922/n/um_fisico_iluminado/Post_page/3>. Acesso em 30 de Março de 2018.
5. SANTOS, Carlos Alberto, (UFRGS). Artigo: O físico e o fóton. <http://www.vermelho.org.br/noticia/269001-1>. Acesso em 30 de Março de 2018.
6. FERREIRA, Miguel. Função trabalho. <http://wikiciencias.casadasciencias.org/wiki/index.php/Fun%C3%A7%C3%A3o_Trabalho> Acesso em 30 de Março de 2018.