Relatório 05 JOSA

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Universidade Federal do Ceará 
Departamento de Física 
Princípios de Física Moderna 
Prof.: Jose Alves de Lima Junior 
Turma: 01 Polo Caucaia 
 
 
 
 
Portifólio Aula 5 
 
 
 
Josenildo Marreira Silva 
 
 
 
 
 
 
 
Junho / 2017.1 
 
 
 
5 
Introdução 
 
 
Heinrich Hertz 
 
Heinrich Hertz, em 1887, investigava a natureza eletromagnética da luz. Estudando a 
produção de descargas elétricas entre duas superfícies de metal em potenciais diferentes, ele 
observou que uma faísca proveniente de uma superfície gerava uma faísca secundária na outra. 
Como esta era difícil de ser visualizada, Hertz construiu uma proteção sobre o sistema para evitar a 
dispersão da luz. No entanto, isto causou uma diminuição da faísca secundária. Na seqüência dos 
seus experimentos ele constatou que o fenômeno não era de natureza eletrostática, pois não havia 
diferença se a proteção era feita de material condutor ou isolante. Após uma série de experiências, 
Hertz, confirmou o seu palpite de que a luz poderia gerar faíscas. Também chegou à conclusão que 
o fenômeno deveria ser devido apenas à luz ultravioleta. 
Em 1888, estimulado pelo trabalho de Hertz, Wilhelm Hallwachs mostrou que corpos 
metálicos irradiados com luz ultravioleta adquiriam carga positiva (veja ilustração extraída de 
http://www.colorado.edu/physics). 
 
Isto, antes da descoberta do elétron, que se deu em 1897. 
 
Em 1903, Lenard estudou o efeito fotoelétrico utilizando como fonte luminosa um arco de 
carbono. 
 
 
Philipp Eduard Anton von Lenard em 1900. 
 
 Variando a intensidade da luz por um fator 1000, provou que a energia dos elétrons 
emitidos não apresentava a menor dependência da intensidade da luz.Em 1904, Schweidler mostrou 
que a energia do elétron era proporcional à freqüência da luz(veja ilustração do arranjo 
experimental, extraída de http://www.phys.virginia.edu/). 
 
 
Os conceitos clássicos tornaram a concepção desse fenômeno insuficiente, dando lugar aos 
conceitos modernos proposto por Albert Einstein no ano de 1905. Dentre as propostas de Einstein 
estão a quantização da energia, ou seja, para ocorrência da ejeção imediata de elétrons da superfície, 
a energia da radiação (ondas eletromagnéticas) estaria concentrada em pacotes (fótons) e não 
distribuída sobre a onda (previsão clássica). Demonstrou também que a velocidade com que os 
elétrons são ejetados não depende da quantidade de fótons emitidos, e sim da frequência que esses 
fótons possuem; relação que pode ser compreendida através da expressão a seguir. 
 
O esclarecimento do efeito fotoelétrico foi dado em 1905, por Alberto Einstein, que 
desenvolveu a ideia de Planck sobre a emissão intermitente de luz. Nas leis experimentais do efeito 
fotoelétrico, Einstein viu uma prova evidente de que a luz tem uma estrutura intermitente e é 
absorvida em porções independentes. A energia E de cada uma das porções de emissão, de acordo 
com a hipótese de Planck, é proporcional à frequência. 
 
Max Planck 
 
E=hf, onde h é a constante de Planck. 
 
Albert Einstein 
 
Einstein propôs que a radiação eletromagnética é composta de “pacotes” de energia ou 
“fótons”. A energia E de cada fóton é proporcional à freqüência da radiação: onde h é a constante de 
Planck, utilizada originalmente para explicar a radiação do corpo negro. Ao incidir sobre uma 
superfície metálica, a energia de um fóton pode ser totalmente absorvida por um elétron, o qual 
pode ser eventualmente ejetado da superfície com energia cinética ou seja, igual à energia do fóton 
menos o trabalho necessário para extrair um elétron do metal 
Dois anos após a descoberta de Hertz, Thomson postulou que o efeito fotoelétrico consistia 
na emissão de elétrons. Para prová-lo, demonstrou experimentalmente que o valor de e/m das 
partículas emitidas no efeito fotoelétrico era o mesmo que para os elétrons associados aos raios 
catódicos. Também concluiu que esta carga é da mesma ordem que a carga adquirida pelo átomo de 
hidrogênio na eletrólise de soluções. O valor de e encontrado por ele (6,8 x 10-10 esu) encontra-se 
muito perto do aceito atualmente ( 4,77 x 10-10 esu ou 1,60x10-19 C. 
O efeito fotoelétrico parece simples, mas intrigou bastantes cientistas, só em 1905 Einstein 
explicou devidamente este efeito e com isso ganhou o Prêmio Nobel. 
 
O que é o efeito fotoelétrico 
 
A emissão de elétrons provocada por ação da luz (ou radiação eletromagnética em geral) é 
chamada de efeito fotoelétrico. 
 
 
Placa metálica incidida por luz e perdendo elétrons devido o efeito fotoelétrico. 
 
A energia cinética máxima dos elétrons emitidos pela superfície de um metal por ação de 
luz monocromática é independente da intensidade da luz. No entanto a energia dos fotoelétrons 
depende criticamente da freqüência da radiação incidente. Existe uma freqüência de corte para a 
radiação eletromagnética, abaixo da qual não ocorre efeito fotoelétrico. A freqüência de corte 
depende do material de que é feita a superfície emissora. 
Para se observar o efeito fotoelétrico, é conveniente utilizar um eletroscópio de folhas. No 
eletroscópio monta-se uma lâmina de zinco. Se a lâmina estiver carregada positivamente, a sua 
iluminação, por exemplo com a ajuda de um arco voltaico, não influi na velocidade de descarga do 
eletroscópio. No entanto, se a lâmina estiver carregada negativamente, o feixe de luz do arco 
descarrega o eletroscópio com grande rapidez. 
Este fato só pode ser explicado de uma maneira. A luz provoca a emissão de elétrons pela 
superfície da lâmina. Quando a lâmina está carregada negativamente, repele os elétrons e o 
eletroscópio descarrega-se. Quanto está carregada positivamente, os elétrons emitidos sob a ação da 
luz são atraídos e voltam ao eletroscópio. É por esta razão que a carga do eletroscópio não varia. 
 
Fig. 1: Eletroscópio 
No entanto, quando o feixe de luz é interceptado por um vidro normal, a lâmina carregada 
deixa de perder elétrons, independentemente da intensidade do feixe de luz. Como é conhecido que 
o vidro absorve os raios ultravioletas, pode concluir-se que é precisamente a parte ultravioleta do 
espectro que provoca o efeito fotoelétrico. 
Verificou-se experimentalmente que a energia cinética dos elétrons emitidos sob a ação da 
luz só depende da frequência da luz. A energia cinética máxima dos fotoelétrons é proporcional à 
frequência da luz e não depende da intensidade desta. O efeito fotoelétrico não se verifica quando a 
frequência da luz é menor do que um dado valor mínimo ( ), dependente do material do 
elétrodo. 
 mv2/2 = eV 
 
A energia cinética do elétron fotoelétrico pode ser calculada aplicando a lei da conservação 
de energia. A energia de uma porção de luz, hf permite realizar o trabalho de arranque W, isto é, o 
trabalho indispensável para arrancar um elétron do seio do metal e comunicar-lhe uma certa energia 
cinética. Por conseguinte, 
 
hf=W+mv2 /2 
Esta equação permite esclarecer todos os fatos fundamentais relacionados com o efeito 
 
Frequência de corte e comprimento de onda de corte 
 
Para que os fotoelétrons sejam emitidos do metal, é necessário que os fótons da radiação 
incidente tenham um valor de energia mínima superior à função trabalho do metal. Isso corresponde 
a um valor de frequência mínima da onda incidente, chamada de frequência de corte. Esse valor 
também é característico de cada material e pode ser calculado com a seguinte equação: 
 
 
 
Esse valor da frequência de corte corresponde a um comprimento de onda chamado de 
comprimento de onda de corte. A equação que expressa o comprimento de onda de corte para um 
determinado metal é dada por: 
 
 
 
 
 
Objetivos 
 
- Conhecer os cientistas envolvidos na descobertado efeito fotoelétrico e suas contribuições. 
- Analisar quantitativamente e qualitativamente os experimentos filmados e simulados 
- Determinar a constante de Planck a partir do gráfico e comparar com a literatura. 
 
Materiais usados (descrição no próprio vídeo) 
 
- Interferômetro de Michelson- Primeiro filme. Este filme apresenta a experiência de 
Michelsom para descobrir a velocidade da terra em relação ao Éter. O Éter era uma substancia 
material que acreditava-se que a luz viajaria sobre ele, uma vez que a luz era uma onda e precisa de 
um meio material para se mover. No entanto foi medido em diversas vezes e o que se descobriu é 
que a onda não precisa de um meio para se propagar. 
O interferômetro serve para medir o comprimento de onda da luz. 
O vídeo descreve o funcionamento do interferômetro usando setas para descrever o raio de 
luz, ou seja, sua trajetória através de um caminho que tem espelhos até um ponto que ao tocar no 
anteparo é possível ver a interferência causada pela difração da luz. Pois a luz se divide ao meio 
quando toca o primeiro espelho. Assim os dois raios são refletidos de volta passando pelo o 
primeiro espelho semitransparente, os dois caminhos percorridos até o anteparo são analisados e se 
a diferença de caminho for um comprimento de onda a interferência é construtiva e se for de meio 
comprimento de onda a interferência é destrutiva. O vídeo mostra anéis concêntricos no antepara o 
qual é definido por manchas escura e manchas claras. As claras são interferência construtivas as 
escuras são interferências destrutivas. O ponto principal do experimento consiste em mover um dos 
segundo espelhos alterando o padrão visto inicialmente, e ai sim é possível utilizando o 
comprimento que o espelho se deslocou com a quantidade de interferência projetada no anteparo, a 
medição do comprimento de onda da luz. 
- Interferômetro de Michelson- Segundo filme. Este vídeo demonstra o uso do 
interferômetro e seus componentes (laser, espelhos, lente, interferômetro) mostra que um dos 
espelhos se move quando acionado por um parafuso micrométrico, o qual ao final da a medida do 
deslocamento do espelho. 
- Interferômetro de Michelson- Terceiro filme. Este vídeo demonstra o manuseio dos 
dados obtido através da analise do comportamento da experiência. Onde verifica-se que ∆X é a 
variação do deslocamento do parafuso, este valor é dividido por dez devido o fator de o parafuso 
mover uma alavanca pra só depois mover o espelho e também será multiplicado por dois por conta 
do ponto luminoso aumentar o dobro, ai sim pode-se igualar a cem comprimento de onda. 
A medida é pequena no experimento e corresponde a milímetro(mm) deverá ser 
transformada pra metro (m) e depois pra nanometro (nm) pois a unidade do comprimento de onda é 
em nm. 
- O Quarto filme- Este descreve a experiência do efeito fotoelétrico e demonstra passo a passo seu 
manuseio. Os materiais são: 
o Fonte de tensão para lâmpada 
o Lâmpada em compartimento fechado 
o Filtros de interferência (conjunto com 10 comprimentos de onda diferentes ) 
o Amplificador 
o Fotocélulas (conjunto com quatro fotocélulas de metais diferentes) 
o Compartimento para fotocélulas 
o Voltímetro 
o Cabos diversos 
 
A fonte que alimenta a lâmpada collorcromática mede 1 A e usnado as lentes que tem 
comprimento de onda específico monocromática serve de filtro onde através de um amplificador é 
possível medir a tensão V no voltímetro. 
Com os dados obtidos é possível medir a constante de Planck. 
 
Os filmes foram apresentados pelo professor Nildo Loiola Dias do Departamento de Fisica 
da UFC. 
 
- As simulação. Os experimento virtuais os quais chamamos de simulação correspondem 
perfeitamente as expectativas dos experimentos reais pois foi possível colher dados eficiente para 
verificar os objetivos do experimento. 
O de Michelson era pra calcular o comprimento de onda da luz. Ok 
O do efeito fotoelétrico era pra calcular a tensão quando se usa comprimento de onda 
diferente e calcular principalmente a constante de Planck. 
Seguindo os roteiro foi possível realizar os experimentos virtuais. 
 
 
 
 
 
 
Procedimento experimental 
 
Deve-se assistir os vídeos que servirão de orientação ou tutorial para o manuseio e operação do 
experimento que seguirá. 
 
Após as orientação e os objetivos a ser atingidos o experimento simulado deve ser operado para 
alcança-los. 
 
Depois do funcionamento do simulado são coletados dados que servirão para os cálculos objetivos 
do experimento. 
 
Nesta aula fui calcular o comprimento de onda da luz e a constante de Planck. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Resultados (obter o gráfico e o valor de h a partir do gráfico) 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Comparação com o experimento simulado 
 
As comparações dos experimentos filmados e dos simulados 
 
Os filmados tem as seguintes características: 
 
 Não tem interação, há apenas expositor e telespectador. 
 Pode ser visto mais de uma vez. 
 A mensagem pode ser captada a partir de orientação colocada como mensagem direta. 
 Estar distante. 
 
Os simulados tem as seguintes características: 
 
 Tem interação direta com o experimento. 
 Existe aprendizagem por tentativa de erro 
 O experimento pode ser feito por mais de uma vez. Sem perda e prejuízo de material. 
 Os objetivos que o experimento oferece são atingidos 
 O simulado virtual substitui com eficiência o experimento real. 
 
 
 
 
 
Conclusão 
 
Os vídeos serve para orientar no manuseio dos materiais e as partes virtuais que deve ser 
utilizada para o evento acontecer. Os experimento virtuais contribuem cem por cento pra que não 
haja desperdício de material e a segurança na operação também é qualitativamente eficiente. 
Este trabalho deixa claro que tanto experimentos virtuais quanto reais são importantes 
numa aula de física assim como também a forma como serão aplicados no local conveniente da 
experiência.