Lab_Virtual_2_Efeito_Fotoeltrico(2)

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Circuitos Elétricos e Fotônica 
 
Laboratório Virtual 2: O Efeito Fotoelétrico 
2020.1 
 
 
 
Objetivos 
• Entender o efeito fotoelétrico através de simulações. 
• Determinar a função trabalho de metais 
• Determinar a constante de Planck 
 
Introdução 
 
O efeito fotoelétrico consiste na emissão de elétrons de sólidos, líquidos ou gases quando 
iluminados com luz de uma certa frequência. A primeira tentativa em entender este efeito foi feita 
por Max Planck em 1900. A expressão por ele proposta: 
 
E=hf = h.c/λ 
 
relaciona a energia E do fóton com sua frequência f (ou seu comprimento de onda λ), através da 
constante de Planck h e da velocidade da luz c. Em 1905, Albert Einstein estendeu a ideia de 
energia quantizada a um feixe de fótons (radiação eletromagnética) e explicou o efeito fotoelétrico, 
recebendo por isso, o prêmio Nobel em 1921. 
 
Por que o Efeito fotoelétrico contradiz a Teoria Ondulatória Clássica? 
 
Na Teoria Ondulatória clássica, a energia da onda eletromagnética está contida na própria onda. 
Assim, quando a onda (com irradiância I) colide com a superfície metálica, o elétron absorve 
energia da onda e quando o nível excede a função de trabalho do metal, o elétron é liberado. A 
função de trabalho dos materiais fotoelétricos mais comuns é da ordem de alguns elétron-volts. 
A partir da Teoria Ondulatória clássica, três previsões poderiam ser feitas: 
1. A energia cinética máxima atingida pelos elétrons seria proporcional à intensidade 
(irradiância) da onda eletromagnética. 
2. O efeito fotoelétrico deveria ocorrer para qualquer luz, independente da frequência ou do 
comprimento de onda. 
3. Deveria haver um retardo de alguns segundos entre o contato da radiação com o metal e a 
liberação dos elétrons. 
Em 1902, as propriedades do efeito fotoelétrico (observado e documentado pela primeira vez por 
Heinrich Hertz em 1887) já estavam bem documentadas, e os experimentos mostravam que: 
1. O aumento de intensidade da luz não produzia nenhum efeito na máxima energia cinética 
dos elétrons. 
2. O efeito fotoelétrico em um determinado metal não ocorre para frequências abaixo de um 
certo valor. 
3. Não há nenhum retardo significativo (menos de 10-9 s) entre a ativação da luz e a emissão 
dos elétrons. 
 
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Desta forma, os resultados observados contradizem as previsões da Teoria Ondulatória clássica, 
além de não serem muito intuitivos. Por que sinais luminosos de baixa frequência não disparam 
a emissão de elétrons, se os mesmos possuem energia? Como os elétrons são liberados tão 
rapidamente? E por que ao se aumentar a intensidade da luz, não se obtêm elétrons mais 
energéticos? 
Com este exercício de simulação, você poderá explorar estes tópicos sobre o efeito fotoelétrico! 
Procedimento 
 
Parte 1- Observação do efeito fotoelétrico em metais, através de simulação computacional 
 
1. Acesse o aplicativo computacional, a partir do seguinte endereço: 
 
http://phet.colorado.edu/en/simulation/photoelectric 
 
2. Execute o aplicativo Java, que deve apresentar a seguinte tela principal, quando todos os 
gráficos tiverem sido selecionados: 
 
 
 
 
3. Inicialmente observe o circuito apresentado no aplicativo: duas placas metálicas (colocadas 
num tubo a vácuo), com a possibilidade de se aplicar uma tensão elétrica entre elas, através 
de uma bateria, e de se incidir luz de intensidade e comprimento de onda variáveis. Há um 
amperímetro para medir a corrente elétrica entre as placas. Sem incidência de luz, qual é a 
corrente medida para valores variáveis da tensão da bateria? Por quê? 
4. Ajuste agora a intensidade luminosa para 50%, mantendo a opção do sódio como metal, e 
fixando a tensão da bateria em 0V. Você deverá observar a emissão de elétrons a partir da 
superfície do metal onde a luz está incidindo. 
Nota: Num experimento real, os elétrons são emitidos em todas as direções. Para simplificar 
a simulação, neste aplicativo considera-se que os elétrons são emitidos perpendicularmente à 
placa onde incide a luz. 
5. Utilize a opção “Options” do menu, e selecione “Show photons”. Observe o que ocorre 
quando você aumenta a intensidade luminosa. Monitore o valor da corrente e explique o 
efeito provocado pelo aumento da intensidade da luz. 
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6. Fixe o valor da intensidade luminosa em 100% e varie o valor da tensão elétrica aplicada 
entre as placas. Observe as cargas acumuladas nas placas metálicas devido ao efeito da 
bateria. Monitore o valor da corrente e explique o efeito provocado pelo aumento da tensão 
positiva e pela aplicação de uma tensão negativa entre as placas. Comente. 
7. Volte a tensão da bateria para zero (você pode digitar este valor na caixa correspondente) e 
aumente o comprimento de onda (e portanto diminua a frequência) da luz incidente e 
observe o que ocorre e comente. 
8. Fixe agora o comprimento de onda num valor para o qual não ocorra emissão de elétrons, e 
aumente a intensidade luminosa. O que acontece? 
9. Para o mesmo valor do comprimento de onda, varie agora a tensão da bateria. O que 
acontece? 
10. Explique como as suas observações (sobre como a frequência e a intensidade da luz e a 
tensão elétrica afetam a emissão e o valor da corrente fotoelétrica) podem ter levado à 
teoria fotônica da luz. 
 
Parte 2- A função de trabalho dos metais 
A mínima energia requerida para se deslocar um elétron da superfície de um metal é denominada 
“função trabalho do metal”, Φ, sendo medida em J ou eV. 
Nota: Lembrar que: 1eV= 1,602.10-19J 
h= 6,63.10-34 J.s ou h= 4,14.10-15 eV.s 
Como o princípio de conservação da energia vale também a nível atômico, a energia cinética de um 
elétron (ou fotoelétron, como é chamado neste caso) emitido da superfície do metal, devido à 
absorção da energia de um fóton, será calculada por: 
Ecinética = hf - Φ 
Na condição limite (energia cinética nula), a função de trabalho poderá ser determinada por: 
Φ = h.fmin 
Vale notar que nem todos os fotoelétrons têm a mesma energia cinética, já que podem estar 
ocupando níveis diferentes de energia dentro do átomo no momento da interação com o fóton. Isto 
pode ser observado na simulação. 
1- Mantenha a tensão da bateria em zero e a intensidade luminosa em 100%. 
2- Para cada metal disponível no aplicativo, varie o comprimento de onda da luz e observe o 
gráfico “Electron energy vs light frequency”. 
3- Determine os valores da função trabalho para os diversos metais, e complete a tabela abaixo. 
4- Compare os valores obtidos para a função trabalho destes metais com valores encontrados 
na literatura. Comente os resultados obtidos. 
 
 
Metal λmax (nm) fmin (THz) Φ (eV)-calculado Φ (eV)-literatura 
Sódio 
Zinco 
Cobre 
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Platina 
Cálcio 
 
Parte 3 – A tensão de freamento e a constante de Planck 
Em condição de emissão fotoelétrica, é possível determinar-se na prática o valor da função de 
trabalho de um metal, bem como a constante de Planck, aplicando-se uma tensão negativa entre as 
placas até que a corrente se anule. Este valor é conhecido como “tensão de freamento”, Vf, e neste 
caso, a energia provida pela fonte externa possui mesma magnitude da energia cinética do elétron. 
Dessa forma, temos: 
 
Ecinética = hf – Φ = |q.Vf| 
 
1- Escolha um dos metais, e utilize o gráfico “Current vs battery voltage”. Mantenha a 
intensidade luminosa em 100%. 
2- Para quatro valores de comprimentos de onda distintos, em que ocorra a emissão 
fotoelétrica, obtenha a curva de corrente x tensão no circuito. Para isso será necessário variar 
a tensão aplicada entre -8 e 8 V. Obtenha em cada caso, a tensão para a qual a corrente se 
anula. Preencha a tabela abaixo. 
Metal: ________________________ 
λ (nm) f (THz) Vf (V) Ecinética(eV) 
 
 
 
 
 
3- A partir dos dados coletados e calculados, estime o valor da constante de Planck e o valor da 
função trabalho do metal. 
4- Compare os valores obtidos por este método comos esperados. 
 
 
 
 
 
Referências 
 
http://phet.colorado.edu/en/simulation/photoelectric 
 
http://physics.about.com/od/quantumphysics/a/photoelectric.htm