Efeito Fotoelétrico

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INSTITUTO FEDERAL CATARINENSE – Campus Rio do Sul 
Curso: Licenciatura em Física. 
Disciplina: Instrumentação para o Ensino de Física III 
Prof.: Greici Gubert 
Acadêmico: Suyane Zielinski Dias 
Rio do Sul, 25 de Abril de 2020. 
 
1 O Efeito Fotoelétrico 
 
Foi Heinrich Hertz (1857-1894), físico alemão, o primeiro a estudar o efeito 
fotoelétrico, mesmo que na época, por volta de 1886, não soubesse ao certo do que se tratava 
este fenômeno. Hertz realizava diversos experimentos com a intenção de demonstrar a 
existência das ondas eletromagnéticas. Para isso, produzia descargas entre dois eletrodos, 
e, em algumas observações, notou que quando o cátodo era iluminado, produzia descargas 
elétricas mais intensas. Sem saber, Hertz descobriu o efeito fotoelétrico, por meio das 
emissões de raios catódicos. 
Dois anos após as observações de Hertz, o físico britânico J.J. Thomson (1856-
1940), ganhador do Prêmio Nobel de Física pela descoberta e identificação do 
elétron, provou que a razão carga e massa (e/m) das partículas catódicas era igual à 
dos elétrons. Ou seja, as partículas emitidas pelas placas iluminadas dos experimentos de 
Hertz se tratavam de elétrons. 
Ao prosseguir com os estudos, em 1903, Hertz e seu assistente, Philipp Lenard 
(1862-1947), criaram vários experimentos a fim de determinar uma relação entre a 
intensidade da luz e a energia dos elétrons emitidos. Concluíram que não havia qualquer 
ligação entre ambas, resultado esperado para os conhecimentos físicos da época. Um ano 
depois, Egon Schweilder (1873-1948), físico austríaco, provou que a energia cinética dos 
elétrons que deixavam as placas metálicas era diretamente proporcional à frequência de luz 
que as iluminava. 
Os estudos de Schweilder e os resultados obtidos experimentalmente contradiziam 
a teoria clássica do eletromagnetismo e tornaram-se um grande desafio para os físicos da 
época durante 18 anos. Foi no ano de 1905, quando o físico alemão Albert Einstein (1879-
1955), utilizou os estudos sobre a emissão de corpo negro, de Max Planck (1858-1947) para 
 
basear seus estudos na quantização do campo eletromagnético, dessa forma, explicando 
satisfatoriamente o funcionamento do efeito fotoelétrico. 
No ano de 1900, Planck buscava explicar a emissão de corpo negro, e só conseguiu 
fazê-lo ao sugerir que a luz fosse quantizada, isto é, que apresentasse valores de energia 
múltiplos de uma quantidade menor. Apesar de Planck saber que o seu estudo era somente 
um artifício matemático eficiente para demonstrar um fenômeno físico, Einstein provou que 
a luz é constituída por um aglomerado de partículas compostas de energia. Essas partículas 
foram chamadas de fótons. Einstein recebeu o Prêmio Nobel de Física em 1921, após a 
publicação de seu artigo sobre o efeito fotoelétrico. 
 
2 Definindo o Efeito Fotoelétrico 
 
Para compreender o efeito fotoelétrico, é necessário considerar a luz como partícula, 
e não com caráter ondulatório como se afirma o modelo clássico. Einstein explica o efeito 
fotoelétrico com o auxílio da teoria corpuscular da luz, desenvolvida por Max Planck, que 
demonstra que a luz é formada por um grande número de fótons ou partículas sem massa 
que carregam uma determinada quantidade de energia (𝐸), que por sua vez, é proporcional 
à frequência da luz (𝜐) e também à constante de Planck (ℎ). Modelando matematicamente, 
temos: 
 
𝐸 = ℎ𝜐. (1) 
 
Se um fóton possui energia (𝐸) suficiente, pode-se ejetar elétrons de um determinado 
material. Podemos calcular a energia cinética (𝑘) desse elétron utilizando a função trabalho 
(𝛷), que deve variar conforme as características do material. 
 
𝑘 = 𝐸 − 𝛷. (2) 
 
Observando a Eq. (2) podemos notar que a energia cinética (𝑘) adquirida pelos 
elétrons depende da energia dos fótons incidentes (𝐸) e também de sua função trabalho (𝛷). 
Esta grandeza mede a energia potencial dos elétrons ligados ao material, ou seja, é a energia 
mínima necessária para ejetá-los. Percebemos que toda energia excedente é transmitida para 
os elétrons e convertida em energia cinética. A ejeção dos elétrons não depende da 
intensidade da luz emitida, e sim de sua frequência. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Percebe-se que os elétrons são presos ao metal por uma energia de ligação definida 
como função trabalho. Os elétrons apenas são ejetados se a energia do fóton incidente for 
maior ou igual à função trabalho, ℎ𝜐 ≥ 𝛷. A diferença de ℎ𝜐 − 𝛷 pode virar energia 
cinética (𝑘), então pela conservação de energia podemos dizer: 
 
ℎ𝜐 = 𝛷 + 𝑘𝑚á𝑥. (3) 
 
Sabendo que a energia do elétron depende da frequência do fóton, podemos dizer 
que existe uma frequência mínima para que um fóton consiga ejetar um elétron. Então não 
é qualquer radiação que faz com que o fenômeno do efeito fotoelétrico ocorra, já que a 
radiação é determinada pela sua frequência. 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 3: Tabela da função trabalho de alguns 
materiais conhecidos Ref: 
www.fisicapaidegua.com/conteudo/conteudo.php?id
_top=060102 
Figura 2: Fótons com frequência maior que o valor mínimo 
ejetando elétrons de um material. Ref: 
https://brasilescola.uol.com.br/fisica/ (Adaptado) 
Figura 1: Fótons com frequência que não causam a 
ejeção de elétrons. Ref: 
https://brasilescola.uol.com.br/fisica/ (Adaptado) 
 
 A Figura 3 traz alguns metais e sua função trabalho em elétron-volt. Fazendo uma 
análise dos valores, notamos que o sódio necessita de uma energia menor para ejetar um elétron 
do que a platina, por exemplo. Isso ocorre principalmente por causa da densidade dos diferentes 
materiais bem como o número de elétrons disponíveis em cada átomo do elemento. 
Para que ocorra o efeito fotoelétrico, notamos que o comprimento de onda da luz (λ) 
está intimamente relacionado com sua frequência (𝜐), ou seja, conforme mudamos o 
comprimento de onda, sua frequência também é alterada (λ =
𝑉𝑙𝑢𝑧
𝜐
), e devemos saber que cada 
cor possui seu comprimento de onda. 
 
3 Simulando o Efeito Fotoelétrico 
 
Para entender melhor o efeito fotoelétrico, vamos utilizar uma simulação 
disponibilizada na plataforma PhET Colorado onde é possível interagir modificando o 
comprimento de onda, assim alterando a frequência dos fótons emitidos bem como a 
intensidade da luz e o material metálico do experimento. Dessa forma, podemos obter 
gráficos e fazer observações experimentais que não seriam facilmente notadas a olho nu. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 4: Aplicativo desenvolvido e disponibilizado pela PhET Colorado. 
Simulação: Efeito Fotoelétrico (1.10) 
 
 
 
Na animação, temos uma fonte de tensão juntamente com um voltímetro para determinar 
a diferença de potencial e logo em seguida um amperímetro que fará a função de medir a 
corrente elétrica nos terminais. Podemos alterar o material da placa metálica e navegar entre 
diferentes frequências e intensidade da luz. 
Para uma melhor visualização, utilizaremos como exemplo a placa de sódio, por ser o 
metal que precisa de menos energia para ejetar um elétron. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Na Figura 5, a animação simula a emissão de fótons com uma frequência no limiar 
da captação da visão humana para o infravermelho (780nm) e com 20% de intensidade da 
luz. 
Os fótons estão se chocando contra a placa de sódio, porém não percebemos a ejeção 
de elétrons já que a corrente elétrica marca no amperímetro 0A. Justamente pela frequência 
dos fótons possuírem um valor inferior ao determinadocomo frequência mínima. 
Figura 5: Experimento ligado com a emissão de fótons com comprimento de onda de 
780nm e 20% de intensidade da luz. 
Simulação: Efeito Fotoelétrico (1.10) 
 
 
Mesmo com a intensidade total do equipamento, como demonstra a Figura 6, não 
conseguimos ejetar elétrons de uma placa de sódio. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 7: Experimento ligado com a emissão de fótons com comprimento de onda de 535nm e 
20% de intensidade da luz. 
Simulação: Efeito Fotoelétrico (1.10) 
 
 
 
Figura 6: Experimento ligado com a emissão de fótons com comprimento de onda de 780nm e 
100% de intensidade da luz. 
Simulação: Efeito Fotoelétrico (1.10) 
 
Na Figura 7, notamos que alguns elétrons são ejetados graças a frequência da luz 
que aumentou para 32% devido ao comprimento de onda ter diminuído para 535nm. Como 
temos a ejeção de poucos elétrons, é natural que o amperímetro continue marcando 0A. 
É justamente neste intervalo, ainda no espectro da luz visível, que encontramos o 
valor da frequência mínima necessária que um fóton deve ter para ejetar um elétron. Vale 
ressaltar que o metal alvo continua sendo o sódio. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Quando definimos o comprimento de onda para aproximadamente 420nm, onde o 
espectro de luz não é mais visível a olho nu, notamos uma corrente elétrica de intensidade 
muito baixa, marcando 20mA. Isso significa que os fótons que estão chegando até a placa 
de sódio possuem energia suficiente para ejetar alguns elétrons. 
 
 
 
 
 
 
Figura 8: Experimento ligado com a emissão de fótons com comprimento de onda de 420nm 
e 20% de intensidade da luz. 
Simulação: Efeito Fotoelétrico (1.10) 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Quando aumentamos a intensidade da luz para 100%, identificamos uma corrente 
elétrica de 0,1A. Já que ultrapassamos o valor de frequência mínima necessária para garantir 
a emissão de elétrons, quanto maior a frequência e a intensidade da luz, maior será o número 
de elétrons ejetados e consecutivamente, maior será a corrente elétrica medida pelo 
amperímetro. 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 9: Experimento ligado com a emissão de fótons com comprimento de onda de 420nm 
e 100% de intensidade da luz. 
Simulação: Efeito Fotoelétrico (1.10) 
Figura 10: Experimento ligado com a emissão de fótons com comprimento de onda de 200nm 
e 100% de intensidade da luz. Gráfico da energia do elétron (eV) x frequência da luz (Hz). 
Simulação: Efeito Fotoelétrico (1.10) 
 
Ao observar a Figura 10, percebemos que vários elétrons são ejetados graças a 
frequência dos fótons que são emitidos pelo equipamento. 
A corrente elétrica aumenta gradualmente conforme a intensidade da luz é alterada, 
pois quanto mais fótons altamente energéticos interagirem com os elétrons do material, 
maior será a ejeção de elétrons e, por sua vez, maior será a corrente elétrica lida pelo 
amperímetro. 
O gráfico da Figura 10 nos mostra a relação entre a energia do elétron ejetado e a 
frequência dos fótons emitidos. Toda a energia excedente do fóton se transformará em 
energia cinética para o elétron. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Contudo, podemos notar que no gráfico que relaciona a corrente elétrica com a 
intensidade da luz emitida, vemos uma intima ligação de proporcionalidade entre essas 
grandezas. Uma vez que, quanto maior for a intensidade da luz emitida, maior será a 
corrente elétrica lida pelo amperímetro, reforçando as ideias da teoria corpuscular da luz. 
 
 
 
 
Figura 11: Experimento ligado com a emissão de fótons com comprimento de onda de 380nm 
e 62% de intensidade da luz. Gráfico da corrente elétrica (A) x intensidade da luz (lm). 
Simulação: Efeito Fotoelétrico (1.10) 
 
 
Caso a diferença de potencial (ddp) da bateria for diferente de zero, ela pode 
influenciar positiva ou negativamente no número de elétrons ejetados. Se a ddp for positiva, 
mais elétrons serão ejetados graças ao sentido da corrente elétrica. Mas se a ddp for 
negativa, alguns dos elétrons que seriam ejetados, não terão energia cinética suficiente para 
vencer a função trabalho. 
 
 
 
Quando a ddp da bateria marca -0.6V, notamos que menos elétrons foram ejetados, 
o contrário acontece quando aplicamos uma ddp de 0.6V no experimento, resultando numa 
corrente elétrica de aproximadamente 0.15A. 
Caso alterarmos o material das placas do experimento, notamos uma maior 
dificuldade de arrancar elétrons destas placas, visto que este fenômeno depende da função 
trabalho deste material. Quanto maior a função trabalho, mais difícil será para ejetar um 
elétron das placas metálicas. 
Figura 12: Experimento ligado com a emissão de fótons com comprimento de onda de 400nm e 
100% de intensidade da luz apresentando variação na diferença de potencial. 
Simulação: Efeito Fotoelétrico (1.10) 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Notamos na figura 12 que a emissão dos elétrons se tornou mais difícil devido a 
troca do metal das placas. Sendo que a função trabalho do zinco é muito maior que a função 
trabalho do sódio. Notamos uma corrente elétrica de 0.6A já que os elétrons ejetados do 
zinco são mais energéticos que os arrancados do sódio devido a função trabalho de cada 
elemento 
 
4 Conclusão 
 
Tendo em vista os aspectos observados, concluímos então que o efeito fotoelétrico, 
fenômeno estudado por vários físicos durante anos e finalmente formulado por Einstein em 
1905, trata-se da emissão de elétrons da superfície de certos materiais metálicos, quando 
iluminados com radiação eletromagnética de certa frequência. 
A energia cinética dos elétrons depende da frequência da luz e do material 
iluminado. Para um mesmo material, quanto maior a frequência da luz, maior a energia dos 
elétrons ejetados, independente da intensidade luminosa. Se a luz for mais intensa, ela 
apenas arranca mais elétrons, gerando maior corrente elétrica. 
 
Figura 13: Experimento ligado com a emissão de fótons com comprimento de onda de 
250nm e 100% de intensidade da luz. Utilizando o zinco como material. 
Simulação: Efeito Fotoelétrico (1.10) 
 
O feito fotoelétrico é utilizado em muitos equipamentos essenciais, como as células 
fotoelétricas, usadas em alguns elevadores e máquinas, e as células solares, usadas nos 
satélites para transformar a energia da luz do Sol em eletricidade. 
Muitos dispositivos tecnológicos foram criados utilizando como princípio o efeito 
fotoelétrico. As células fotovoltaicas, por exemplo, são usadas para transformar a energia 
luminosa em eletricidade. Esse fenômeno também é utilizado em sensores de movimento, 
relés e fotorresistores ou LDR (Light Dependent Resistor). 
 
 
5 Referências 
 
• YOUNG, Hugh D.; FREEDMAN, Roger A. (2016). Física: Ótica e Física 
Moderna. São Paulo: Pearson. 14 ed. p. 202-209. ISBN 978-85-430-0671-0. 
• HELERBROCK, Rafael. Efeito fotoelétrico. Brasil Escola. Disponível em: 
https://brasilescola.uol.com.br/fisica/o-efeito-fotoeletrico.htm. Acesso em: 20 de 
abril de 2020. 
• Física Moderna UFRGS. A descoberta do Efeito Fotoelétrico. Disponível em: 
https://www.if.ufrgs.br/tex/fis142/fismod/mod03/m_s01.html. Acessoem: 22 de 
abril de 2020. 
• MONTEIRO, Bruno; ANDRADE, Mariel. O Efeito Fotoelétrico. Física UFPB. 
Disponível em: 
http://www.fisica.ufpb.br/~romero/objetosaprendizagem/Rived/20EfeitoFotoeletri
co/Site/Notashistoricas.htm. Acesso em: 22 de abril de 2020. 
• C.A. dos Santos. A descoberta do Efeito Fotoelétrico. UFRGS, 2002. Disponível 
em: http://www.if.ufrgs.br/einstein/efeitofotoeletricodescoberta.html. Acesso em: 
23 de abril de 2020. 
 
 
 
https://pt.wikipedia.org/wiki/International_Standard_Book_Number
https://pt.wikipedia.org/wiki/Especial:Fontes_de_livros/978-85-430-0671-0