Difração e Interferência e Efeito Fotoelétrico

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Difração e Interferência 
Diego Pereira de Paiva Sobrinho 
Centro Universitário Uninter 
Pap - Tijuca - Rua Mariz e Barros, 420 - CEP: 20270-001 - Rio de Janeiro - RJ - Brasil 
email: dieguinhopps@msn.com 
 
 
 OBJETIVO 
 
Estudar difração em fendas simples e padrões de interferência em fendas 
duplas. 
 
PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL 
Iniciei o Laboratório Virtual e selecionei o experimento Diffraction and 
Interference no Workbook. O programa abriu na bancada de Física Quântica e 
eu segui o que o roteiro descrevia. 
 
Um laser é usado como fonte luminosa porque ele tem somente um 
comprimento de onda. Portanto, você não vai observar padrões de difração de 
outros comprimentos de onda interferindo na imagem. Qual o comprimento da 
onda (Wavelenght) do laser? 
700 nm. 
Qual o espaçamento entre as duas fendas (Slit Spacing) no dispositivo? 
Compare o comprimento de onda do laser com a distância entre as fendas. 
0,2 µm. O comprimento de onda é 3,5 vezes maior que o espaço entre as 
fendas. 
Como seria o padrão de difração se mantivéssemos a distância entre as fendas 
mas diminuíssemos o comprimento de onda da fonte? (Dica: pense na 
distância entre as fendas como um obstáculo que as ondas de luz encontram 
no caminho.) 
Podemos observar que ao diminuir o comprimento de onda, a distância angular 
diminui, mostrando que os máximos das franjas claras estarão cada vez mais 
concentrados nas proximidades do centro da tela, e visualmente poderíamos 
observar alteração na cor da luz. 
Observe o padrão exibido pela câmera de vídeo conforme você reduz o 
comprimento de onda para 600 nm e depois para 300 nm, clicando na seta 
abaixo do valor da centena. O que você pode afirmar sobre a relação entre o 
comprimento de onda e o padrão de refração quando o comprimento de onda é 
maior do que o obstáculo? 
Quando o comprimento de onda é maior do que o obstáculo, o primeiro 
máximo de interferência fica fora dos limites da tela, conforme o comprimento 
da onda diminui, a posição angular também diminui, aproximando assim os 
máximos e mínimos do centro da tela. 
Agora você vai investigar outros efeitos causados pela interferência da luz. Ao 
distanciar mais as fendas, você vai começar a ver a interferência quando as 
ondas que atravessam as fendas afetarem umas às outras. Mude o 
comprimento de onda do laser para 500 nm e o espaçamento entre as fendas 
para 3 μm. Descreva o que você observa. O que está causando esse efeito? 
Observo que o padrão de interferência é formado por várias franjas claras e 
escuras distribuídas no centro da tela. Este padrão de interferência está sendo 
causado pela difração da luz que incide nas fendas. 
Mude a intensidade (Intensity) do laser de 1 nW para 1 W. A intensidade da luz 
afeta o padrão de difração? 
Não afetou o padrão de difração. 
Mude a distância entre as fendas para 1 μm. Observe o padrão exibido no 
vídeo conforme você altera a distância das fendas de 1 μm para 7 μm, de 1 em 
1 μm. Qual a relação entre a distância das fendas e o padrão de difração? 
Ao aumentar a distância o número de franjas concentradas no centro da tela 
aumenta, pois quanto maior o espaçamento da fenda, maior a ação dos 
elementos refrativos. Pode-se dizer que são diretamente proporcionais quando 
observa-se a equação d /  = m / sen(Ɵ). 
Mude a distância entre as fendas para 3 μm. Aumente o comprimento de onda 
do laser para 700 nm. Como o aumento no comprimento de onda afeta o 
padrão de interferência? 
O Aumento do comprimento de onda diminui a quantidade de franjas, além de 
alterar a cor da luz. 
Ajuste a intensidade do laser para 1000 fótons/segundo (p/s, do inglês, photons 
per second). Aperte o botão (Persist) na câmera de vídeo para manter na tela a 
visualização dos fótons que atravessam as fendas. Observe por um minuto. O 
que você pode afirmar sobre esse padrão em relação ao padrão produzido pelo 
feixe contínuo? 
A região central é preenchida gradualmente tomando forma conforme o 
experimento anterior, pois a luz é emitida por tempo. A luz colide no anteparo 
como partícula, mas ainda assim mantém sua característica ondulatória 
formando franjas escuras e claras. 
 Diminua a intensidade do laser para 100 fótons/segundo. Ative novamente a 
função Persist e observe por um minuto. Em baixas intensidades (1000 ou 100 
fótons/segundo), nunca há um momento em que dois fótons atravessam as 
fendas ao mesmo tempo. Como ocorre a difração de um único fóton? 
Esse único fóton será emitido de acordo com a área de difração apresentada 
anteriormente e esse fóton será emitido em pontos possíveis dentro dessa área de 
difração. Sempre aparecendo em tempos diferentes, provando a tese que ele nunca 
atravessa a fenda ao mesmo tempo que outro. 
 
CONCLUSÃO 
A partir desse experimento, o que você pode concluir sobre a natureza da luz? 
A luz sofre alterações tanto na velocidade quanto na direção a depender do 
meio por onde ela é transportada, e sofre ainda os efeitos da difração, refração 
e interferência de acordo com os materiais onde a luz é projetada. O 
experimento de Young deixa claro que a dualidade da matéria onda-partícula é 
real, apesar de ainda existirem detalhes a serem descobertos, mas o fato é que 
não se pode negar que a luz é uma onda sem deixar de ser partícula. 
Entre no almoxarifado (Stockroom). Clique na prancheta e selecione o item 8, 
Two-Slit Diffraction - Eletrons. Clique na seta verde (Return to Lab). Este 
experimento é parecido com o experimento anterior, mas a fonte está emitindo 
elétrons e não fótons de luz. Por isso, o detector é uma tela de fósforo 
(Phosphor Screen) que detecta partículas com carga. Como o padrão de 
difração pode ser comparado com o padrão de difração da luz? 
O sistema é bem parecido, pois os dois são emitidos por meio de ondas, e 
sofrem interferência dos meios aos quais são conduzidos e/ou transportados. E 
da mesma forma a fenda tem interferência na propagação dos elétrons, 
emitindo padrões coerentes com os padrões aplicados na forma inicial, 
ocasionando assim a difração desses elétrons através da fenda. 
 
 
 
 
 
O Efeito Fotoelétrico 
Diego Pereira de Paiva Sobrinho 
Centro Universitário Uninter 
Pap - Tijuca - Rua Mariz e Barros, 420 - CEP: 20270-001 - Rio de Janeiro - RJ - Brasil 
email: dieguinhopps@msn.com 
 
 
OBJETIVO 
 
Estudar o efeito fotoelétrico e entender a ligação entre comprimento de onda e 
energia da luz incidente e a emissão de fotoelétrons. 
 
PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL 
Iniciei o Laboratório Virtual e selecionei o experimento The Photoelectric Effect 
no Workbook. O programa abriu na bancada de Física Quântica e eu segui o 
que o roteiro descrevia. 
 
O laboratório está montado com um laser em determinado ângulo incidindo na 
lâmina de sódio - Metal Foil (Na). Os átomos do metal absorvem a energia da 
luz e emitem elétrons. A tela de fósforo (Phosphor Screen), no canto inferior, 
vai detectar os elétrons que ricochetearem do metal. A intensidade (Intensity) e 
o comprimento de onda (Wavelenght) do laser podem ser ajustados. Qual a 
intensidade e o comprimento de onda que o laser está inicialmente 
programado? 
Intensidade I = 1nW e o Comprimento de onda  = 400nm. 
Anote o comprimento de onda(em nm) na Tabela de dados da página seguinte. 
Calcule a frequência(em Hz) e a energia(em J) do laser utilizando a seguinte 
equação f = c /  e E = h * f, em que c = 3 x 10^8 m/s e a velocidade da luz no 
vácuo é h = 6626 x 10^34 J.s. Não se esqueça de converter a unidade do 
comprimento de onda para metros. Lembre-se de que 10^9 nm = 1 m. 
Anotei o comprimento de onda iniciando do valor de 390 nm (10nm a menos 
que o comprimento de onda inicial), pois não determinava quais valores colocar 
na tabela, e fui aumentando de 10 em 10 nm, até preencher a tabela toda. 
Ligue a tela de fósforo (On/Off) e clique no botão (Grid). O que o sinal da tela 
de fósforo indica sobre a luz do laser que está incidindona lâmina de sódio? 
Indica que o comprimento de onda da luz incidente tem energia suficiente para 
produzir o efeito fotoelétrico, logo podemos concluir que os elétrons estão 
sendo ejetados da placa de metal e colidindo com a tela de fósforo. 
 
 
 
Diminua a intensidade do laser para 1 fóton/segundo (p/s, do inglês, photons 
per second) ajustando o controlador à esquerda. Como o sinal muda? O que 
isso indica sobre a relação entre a quantidade de fótons emitidos e a 
intensidade da luz incidente? 
O sinal fica mais fraco e intermitente. Indicando que a quantidade de fótons é 
proporcional a intensidade de luz incidente, mas a energia do fóton não é 
afetada pela intensidade. 
Mude a intensidade do laser novamente para 1 nW e aumente o comprimento 
de onda para 600 nm. O que você observa na tela de fósforo? 
Não há nenhum ponto de luz incidindo no centro da tela. 
Determine o comprimento de onda máximo em que ocorre a emissão de 
elétrons do metal. 
Sabendo que Ø = (h*c) /  , isolando o comprimento de onda 
 = (6626 *10ˆ-34 * 3 *10^8)/(4,42 *10^-19), então: 
O valor do comprimento de onda máximo é  = 450 nm. 
Clique no almoxarifado (Stockroom) para entrar. Clique na prancheta e 
selecione o item 5, Photoelectric Effect (2). Clique na seta verde (Return to 
Lab) para retornar ao laboratório. A intensidade do laser está ajustada em 1 nW 
e o comprimento de onda em 400 nm. O detector usado neste experimento é o 
bolômetro (Bolometer), que será ligado automaticamente. Esse instrumento 
mede a energia cinética dos elétrons. Na janela do detector, clique na alavanca 
(eV/Joules) para mudar a unidade do eixo x. Você deve ver um pico verde no 
canto inferior esquerdo da tela de fósforo. A intensidade ou altura do sinal 
corresponde ao número de elétrons emitidos do metal e o eixo x é a energia 
cinética dos elétrons. No gráfico, amplie a área pico clicando próximo a ele e 
arrastando o vértice do retângulo que vai aparecer. 
Mova o cursor do mouse sobre o pico e anote a energia cinética e a 
intensidade dos elétrons na Tabela de dados. A unidade da energia cinética 
está em 10^-19 J, então anote 10^-19 para todo dado de energia que você 
coletar. Aumente o comprimento de onda em incrementos de 10 nm e anote, 
na tabela, a energia cinética e a intensidade do pico para cada comprimento de 
onda. Observe o que acontece se você continuar a aumentar o comprimento de 
onda depois de atingir o comprimento de onda máximo em que há emissão de 
elétrons do metal. Isso condiz com o que você havia observado anteriormente? 
Sim condiz, o nível de energia cinética diminui com o aumento do comprimento 
de onda. No caso do nosso experimento fizemos o contrário, fomos 
aumentando o comprimento de onda que é inversamente proporcional, como 
vimos, ao nível de energia cinética. Quanto mais aumentávamos o 
comprimento de onda, menor era o valor de energia cinética do elétron, 
conforme mostra a Tabela de dados. 
 
ANÁLISE E CONCLUSÃO 
A partir dos dados da tabela, plote o comprimento de onda da luz incidente 
versus a energia cinética dos elétrons ejetados do metal. Inclua alguns valores 
maiores de comprimento de onda que você observou na etapa 9. Rotule o eixo 
x como Comprimento de onda (nm) e o eixo y como Energia cinética (10^-19 J). 
 
 
O que a forma do gráfico demonstra? O que significa, no gráfico, quando a 
energia cinética cai para zero? 
O gráfico demonstra que ao aumentar o comprimento de onda, a energia 
cinética dos elétrons diminui. 
Quando a energia cinética cai para zero, significa que não é mais possível 
observar o efeito fotoelétrico. 
A partir dos dados da tabela, plote a energia do laser versus a energia cinética 
dos elétrons. Inclua alguns valores maiores de comprimento de onda que você 
observou na etapa 9. Rotule o eixo x como Energia do laser (10^-19 J) e o eixo 
y como Energia cinética (em 10^-19 J). 
 
 
Qual a relação entre a energia da luz incidente e a energia dos elétrons 
ejetados do metal? 
São diretamente proporcionais, ou seja, aumentar a energia do laser faz 
aumentar a energia cinética dos elétrons ejetados do metal. 
Diminua o comprimento de onda para um valor em que há emissão de elétrons 
do metal. Observe o que acontece com o pico quando você aumenta e diminui 
a intensidade. Você terá de ampliar algumas regiões do gráfico para observar 
as mudanças. 
O pico se mantém sua energia cinética constante. 
 
CONCLUSÃO 
Baseando-se neste experimento, explique por que a luz violeta causa a 
emissão de elétrons, mas a luz laranja não. O que importa na formação de 
fotoelétrons: intensidade ou comprimento de onda? 
A cor violeta tem o comprimento de onda menor que o da luz laranja, por isso 
que a luz violeta ejeta elétrons. O que importa na formação de fotoelétrons é o 
comprimento da onda da luz.