Qual a diferença entre efeito fotoelétrico e efeito fotoemissivo?

Um dos experimentos mais importantes para consolidação da teoria quântica foi realizado pelo norte-americano Robert Millikan em 1916, e é conhecido como efeito fotoelétrico, pois envolve a emissão de elétrons de uma superfície metálica provocada pela incidência de luz. Como há outros efeitos relacionando luz (fótons) e elétrons, o nome mais preciso deste fenômeno é “efeito fotoemissivo”.

O efeito fotoelétrico foi observado pela primeira vez em 1887, com radiação ultravioleta, que é uma radiação eletromagnética (assim como a luz visível) que tem um comprimento de onda menor (e portanto uma maior frequência de oscilação) do que a luz violeta. A descoberta foi realizada de maneira independente por três físicos: o alemão Heinrich Hertz, o sueco Svante Arrhenius e o inglês Arthur Schuster. Nos anos seguintes, diversas propriedades deste fenômeno foram comprovadas experimentalmente por outros cientistas, culminando com os experimentos do húngaro-alemão Philip Lenard, em 1902. 

A figura abaixo mostra um esquema da montagem experimental para se observar o efeito, na forma de um “fototubo”, usado tradicionalmente como sensor de luz (hoje em dia a maioria dos sensores de luz envolve outros princípios). A luz incide em uma placa metálica (emissora), localizada dentro de um tubo evacuado. A energia da luz é transferida para elétrons (de carga negativa) da superfície da placa, e estes se soltam do metal, sendo então atraídos em direção à placa da direita (coletora) por meio de um potencial elétrico positivo. Ao chegarem nesta placa, eles geram uma corrente elétrica no circuito abaixo do tubo, medido pelo amperímetro A. A voltagem entre as placas pode ser invertida, desacelerando os elétrons, sendo medida pelo voltímetro V.

Para entender o que está acontecendo, vale a pena considerar um modelo mecânico, que pode ser facilmente construído para fins didáticos (ver abaixo). Neste modelo, supõe-se que a luz consiste de partículas (fótons) com energia bem definida E=hf, onde f é a frequência de oscilação da onda luminosa associada, e h a constante de Planck. As três bolas da esquerda representam fótons com energias diferentes, correspondentes a cores diferentes. 

A bola vermelha tem menos energia, sendo semelhante a uma bola de plástico bem leve, e ao descer a rampa não consegue fazer com que a bola preta saia da cova em que se encontra e deslize pela pista horizontal. Isso representa o fato de que a luz vermelha geralmente não é capaz de gerar o efeito fotoelétrico (da mesma forma que ela não é capaz de sensibilizar um filme fotográfico, nos antigos laboratórios de fotografia). A energia de ligação do elétron na placa metálica, W (chamada de “função de trabalho”), é maior do que a energia dos fótons de luz vermelha, hf.

A bola verde seria feita de madeira (ou seja, tem uma massa maior do que a anterior), e ao se chocar com a bola preta faz com que esta saia da cova e suba uma rampa, até o final, sem no entanto cair no precipício. Isso é análogo ao que acontece com a luz verde, que provoca a emissão do elétron (a bola preta sai do buraco) e ainda lhe dá energia para subir uma pequena rampa. 

No caso real do efeito fotoelétrico, a “rampa” acima do nível de energia Wconsiste de um “potencial elétrico de corte” V0, que desacelera os elétrons e é suficiente para impedir que os elétrons “caiam no precipício”, ou seja, que eles atinjam a placa coletora. A este potencial de corte corresponde uma energia potencial eV0, onde e é a carga do elétron. Em outras palavras, a determinação do potencial de corte equivale a determinar a energia de cada elétron. O que se mostra então, para diferentes cores de luz, é que a energia dos elétrons emitidos é proporcional à energia dos fótons incidentes. 

A relação entre essas grandezas foi deduzida teoricamente por Albert Einstein, em 1905: eV0 = hf – W. A energia do elétron é igual á energia do fóton menos o trabalho para quebrar a ligação entre o elétron e o metal. Esta pode ser chamada a “lei de Einstein”, e foi esta lei que foi confirmada em 1916 por Millikan.



 

No caso da luz violeta, o fóton tem uma energia ainda maior. No modelo mecânico, isso corresponde a uma bola mais pesada, de ferro, que ao deslizar é capaz de fazer a bolinha preta subir uma rampa ainda mais íngrime, até atingir a borda (sem cair no precipício).

Discutimos até aqui o que na época era chamado de a “qualidade” da radiação, ou seja, o que para Einstein seria a energia associada a cada fóton. Mas a radiação também possui uma “quantidade”, que nada mais é (no modelo de Einsetin) do que o número de fótons que incide no metal. Na segunda figura, se colocássemos sucessivamente bolinhas verdes na pista ocupada pela bolinha vermelha, cada bolinha verde teria energia para arrancar uma bolinha preta (elétron) e esta deslizaria até cair no precipício. Assim, contando o número de biolinhas pretas, teríamos a quantidade de fótons da radiação. No caso real do efeito fotoelétrico, essa quantidade é dada pela corrente elétrica medida pelo amperímetro A (o número de fótons seria dado pela intensidade da corrente dividida pela carga do elétron e).

Se a explicação dada for compreensível, então podemos entender alguns fatos observados pelos pioneiros do estudo do efeito fotoelétrico:

(a) Qualquer que seja o metal emissor, existe um limiar de frequência abaixo do qual não ocorre emissão de elétrons. Este limiar é dado pela energia de ligaçãoW do elétron no metal: fótons com energia hf abaixo deste valor de W não conseguem emitir elétrons.

(b) Para uma dada frequência de luz (acima do limiar), quanto maior a intensidade do feixe, maior o número de elétrons emitidos. Isso foi descoberto pelo russo Alexander Stoletow, em 1889, e seria explicado pela tese de que apenas um elétron é emitido por cada fóton. 

(c) Para feixes contendo o mesmo número de fótons, mas possuindo diferentes frequências (que estejam bem acima do limiar), o número de elétrons emitidos é o mesmo. Essa situação pode ser explorada para argumentar que um “meio fóton” nunca é observado. Por exemplo, podemos gerar um fóton ultravioleta que tem uma frequência que é duas vezes maior do que o limiar de frequência do efeito fotoelétrico. Assim, este fóton teria energia suficiente para emitir dois elétrons, pois sua energia é 2W. Mas isso nunca acontece: no efeito fotoemissivo, cada fóton só pode levar à emissão de um único elétron, não dois. 

(d) Acima do limiar, quanto maior é a frequência da luz, maior é a energia dos elétrons emitidos. Isso reflete o princípio de conservação de energia, envolvendo um fóton e um elétron, e é expresso matematicamente pela lei de Einstein, vista acima: Energia do elétron = hf – W.

Para quem gosta de gráficos, a figura abaixo apresenta, de maneira simplificada, a confirmação de Millikan para a lei de Einstein. 

O efeito fotoelétrico é uma das mais importantes evidências de que a luz interage com elétrons de maneira discretizada, na forma de “quanta de energia” ou “fótons”. Mesmo assim, alguns autores argumentam que o experimento, por si só, não comprovaria a existência de quanta de radiação, pois o experimento poderia ser explicado supondo-se que a radiação eletromagnética (a luz) tem comportamento clássico e contínuo, e que a discretização é introduzida pelos elétrons presos a átomos. Este é o ponto de Lamb & Scully (1969), em um controvertido artigo disponível na web.

Efeito fotoemissivo. Diretamente relacionado com o efeito fotoelétrico descoberto por Hertz, em 1887, e descrito teoricamente por Einstein, em 1905. 

Efeito Fotoelétrico é a emissão de elétrons de um material, geralmente metálico, quando ele é submetido à radiação eletromagnética. Ela tem larga aplicação no cotidiano como, por exemplo, a contagem do número de pessoas que passam por um determinado local, como também na aplicação dos exemplos dados anteriormente. A aplicação desse efeito acontece através das células fotoelétricas ou fotocélulas, as quais podem ser de vários tipos como, por exemplo, a célula fotoemissiva e a célula fotocondutiva.

O efeito fotoemissivo, porém, que é base do efeito fotoelétrico, não é abordado experimentalmente, em geral, porque as células fotoemissivas são raríssimas no mercado nacional. Elas não são feitas com semicondutores, mas sim com a antiga tecnologia das válvulas termiônicas e ligas metálicas especiais, sendo há muito usadas apenas para finalidades didáticas, deixando de ser comuns no final do século XX. Assim, se o professor de Física não dispuser de um conjunto didático comercial específico - raros em nosso meio pelo custo elevado - provavelmente não fará experimentos envolvendo o efeito fotoelétrico. 

O efeito fotoelétrico é a emissão de elétrons por um material, geralmente metálico, quando exposto a uma radiação eletromagnética (como a luz) de frequência suficientemente alta, que depende do material. Ele pode ser observado quando a luz incide numa placa de metal, literalmente arrancando elétrons da placa. Observado pela primeira vez por A. E. Becquerel em 1839 e confirmado por Heinrich Hertz em 1887,¹ o fenômeno é também conhecido por "efeito Hertz",^2 3 não sendo porém este termo de uso comum.

Os elétrons que giram à volta do núcleo atômico são aí mantidos por forças de atração. Se a estes for fornecida energia suficiente, eles abandonarão as suas órbitas. O efeito fotoelétrico implica que, normalmente sobre metais, se faça incidir um feixe de radiação com energia superior à energia de remoção dos elétrons do metal, provocando a sua saída das órbitas: sem energia cinética (se a energia da radiação for igual à energia de remoção) ou com energia cinética, se a energia da radiação exceder a energia de remoção do elétrons.