Efeito foto elétrico - RELATORIO

Prévia do material em texto

Efeito Foto-Elétrico
José Ailton dos Santos Pereira e Luan Orion de Oliveira Baraúna Ferreira
7 de Junho de 2014
Este trabalho é o resultado da realização do experimento que deu o prêmio
Nobel ao físico austríaco Albert Einstein em 1921 ao provar que um fóton ao
incidir sobre uma placa metálica transferia momento para os elétrons. Propondo
que se a energia fosse quantizada, cada elétron receberia uma energia discreta
de cada foto, alterando sua energia de forma não-continua pela relação E =
hν. Onde h é a constante de Planck e ν a freqüência da onda eletromagnética
incidente.
Os dados aqui citados foram coletados do dia 14/05/2014 no laboratório de
Estrutura da Matéria do Instituto de Física da Univerdade Federal da Bahia,
utilizando os equipamentos da PASCO Model No. SE-6609 pelos graduandos
José Ailton dos Santos Pereira e Luan Orion de Oliveira Baraúna Ferreira.
Contexto histórico
O físico britanico James Clark Maxwell (1831-1879) relacionando os campos
eletrico e magneticos com equações que levaram, em sua homenagem, seu nome,
foi o primeiro a propor a natureza da luz como sendo de caracter ondulatório
unificando o eletromagnetismo e a ótica.
Heinrich Rudolf Hertz (1857-1894) foi o primeiro a detectar experimental-
mente as ondas elétromagnéticas propostas por Maxwell comprovando assim o
trabalho teórico de seu colega.
Hertz identificou no seu experimento centelhas entre as placas de um circuito
oscilante ocorrendo na mesnma freqüencia que o circuito oscilára, essas centelhas
quando originavam-se de corrente negativa tendiam a ser ejetadas a superficies
metalicas de zinco, sódio e potásio. Philipp Eduard Anton von Lenard mediu
a relação carga/massa desses centelhamentos e concluio que o centelhamento
ocorria por conta da transferias de eletrons, chamando assim essas particulas
transferidas de foto-elétrons.
Segundo a teoria eletromaganética de Maxwell o energia da onda eletro-
magnetica era transferida pelo vetor de Poynting (produto vetorial dos campos
eletricos e magneticos) que funcionava perfeitamente para ondas no vácuo. Po-
rem, falhava na descrição da transferencia de energia para matéria.
Então, em 1905 Albert Einstein propõem que a natureza da luz é corpuscular
e não ondulatória como previa Maxwell. Argumentando que a luz possuiria uma
quantidade de energia quantizada pela relação E = hν. Fazendo-o ganhar o
premio nóbel em 1921 após a comprovação da caraga elementar do eletron por
Robert Andrews Millikan.
1
Física do experimento
Uma das caracteristicas particulares e que definem os metais, e posse de elé-
trons livres na camada de Valecia, ligados por uma fraca atração Colombiana
com os núcleos dos seus átomos, fator derminante que os permite serem ótimos
condutores elétricos. Uma vez que é aplicado uma diferença de potencial entre
dois pontos não superpostos, os elétrons da camada de Valencia tendem a ir
na direção do ponto de potencial menor ao de potencial maior gerando uma
corrente elétrica.
O fóton ao incidir sobre a uma placa metálica transfere momento para os
elétrons da camada de Valença dos átomos da placa, aumentando sua energia
cinética. Se essa energia for grande o suficiente, os elétrons são arrancados
da placa gerando assim uma corrente elétrica proporcional a energia da luz
incidente.
Sabemos que a energia é:
E = hν −B (1)
E = eV0 (2)
eV0 =
h
ν
−B (3)
Onde V0 é voltagem e a carga elétron, B a quantidade constante de trabalho
para retirar um eletron da superfície, ν é a frequencia da onda e ν pode ser
escrito como ν = c/λ
eV0 =
hc
λ
−B′ (4)
V0 =
hc
e
1
λ
−B′ (5)
Isso nos lembra uma equação da reta no formato y = Ax+B. Encontrando
os coeficiente angulares e lineares entre V0x1/λ poderemos igualar A a hc/e e
determinar h.
O Experimento
O aparelho no qual se realizou o trabalho em questão possibilitava a realização
de alguns experimentos. O aqui realizado foi a de determinação da constante
de Planck.
No experimento, contamos com uma lanterna de mercúrio que incidia luz
em uma placa de metal com uma fenda de tamanho variável, sob filtros que
difratavam a onda para uma certa freqüência.
Inicialmente impedimos a recepção de luz pela placa e calibramos o equi-
pamento procurando o ponto onde a corrente ali correspondia a zero. Então
para cada abertura, aplicamos uma voltagem de frenagem com uma fonte de
tensão externa, de forma a cancelar a diferença de potencial gerada nas placas
pela incidencia da radiação da lâmpada e zerando a corrente, para cada com-
primento de onda difratado pelos filtros instalados no aparelho. Uma vez que
2
submetemos uma diferença de potencial (ddp) capaz de frear os elétrons, temos
que a voltagem aplicada pela fonte de tensão externa é igual a ddp gerada pela
incidência de radiação eletromagnética provida pela lâmpada de mercúrio.
Como as medidas são feitas com facilidade, foi possível realizar o teste duas
vezes gerando os respectivos valores:
Primeira medida.
φ 3, 65.10−7 4, 05.10−7 4, 36.10−7 5, 46.10−7 5, 77.10−7
0, 002 −1, 886 −1, 468 −1, 239 −0, 702 −0, 565
0, 004 −1, 827 −1, 414 −1, 192 −0, 662 −0, 536
0, 008 −1, 676 −1, 315 −1, 106 −0, 599 −0, 486
Segunda medida.
φ 3, 65.10−7 4, 05.10−7 4, 36.10−7 5, 46.10−7 5, 77.10−7
0, 002 −1, 863 −1, 459 −1, 217 −0, 683 −0, 562
0, 004 −1, 878 −1, 427 −1, 211 −0, 679 −0, 552
0, 008 −1, 729 −1, 339 −1, 129 −0, 625 −0, 500
Média entre as medidas.
φ 3, 65.10−7 4, 05.10−7 4, 36.10−7 5, 46.10−7 5, 77.10−7
0, 002 −1, 875 −1, 464 −1, 228 −0, 693 −0, 564
0, 004 −1, 853 −1, 421 −1, 202 −0, 671 −0, 544
0, 008 −1, 703 −1, 327 −1, 118 −0, 612 −0, 493
O valor ”correto” de h é h0 = 6.626x10
−34J . Pelos métodos dos mínimos
quadrados podemos linearizar, para cada fenda de entrada, a relação de V0x1/λ
encontrando 3 valores de coeficientes angulares e respectivamente 3 valores de
h. hφ=2 =, 100 do valor original hφ=4 =, 100 do valor original hφ=8 =, 100 do
valor original
Plotou-se também um grafico de V xλ para as três aberturas.
Conclusões
Com este experimento podemos perceber e calcular a relação quantica que a
energia possui ou seja a energia mínima existente na natureza. Essas conclusões
foram de extrema importancia para a física da época, dando entrada a era
da física quantica. A partir desse momento outros diversos experimentos e
teorias surgem demonstrando que a natureza possuim um carater discreto e
probabilistico e não continuo e deterministico. Na história, abandonamos a
mecanica discreta de Newton e entramos na era da mecânica quântica da nova
geração de cientistas.
Referências
[1] PASCO Photoelectric Effect Apparatus Model No. SE-6609
[2] ARIELLO, Daniel Cariello, Evaneide Alves Carneiro, Germano Abud de
Rezende APOSTILA DE LATEX
[3] GUTMANN Friederich, OLIVEIRA Newton Estrutura da Matéria I - Ex-
perimento 1 � Efeito Fotoelétrico, 2002
3
(20,20)
Figura 1: Grafico da frequencia pela voltagem
[4] WILKINS David R. , LATEX para iniciantes,1995
[5] Efeito Foto-eletrico efeitofotoeletrico2m4.blogspot.com,2009
4