LABORATRIO DE FSICA MODERNA IIEFEITO FOTOELTRICOBauru/2014

LABORATRIO DE FSICA MODERNAEFEITO FOTOELTRICO

Leanderson Marcelo Finez

Paulo Roberto

Thais MachadoProfa. Dra. Dayse Iara dos Santos

Bauru/20141. INTRODUO

O Efeito Fotoeltrico ocorre quando luz de determinada frequncia incide numa superfcie de metal e faz com que eltrons sejam ejetados da superfcie. Outra placa com maior energia potencial eltrica pode ser colocada na frente da primeira placa sem que seja iluminada para absorver os eltrons da primeira placa e para que se possa medir a corrente fotoeltrica.

Figura 1. Dispositivo para estudo do efeito fotoeltrico [1]

O efeito foi observado pela primeira vez em 1887, de forma acidental por Frank Hertz, logo aps ele ter demonstrado a natureza ondulatria da luz. Em 1899, J. J. thomsom demonstrou que as partculas ejetadas da placa de metal eram eltrons. O grande problema do efeito era que a energia dos eltrons ejetados no mudava com a intensidade da luz incidente, enquanto se esperava que a energia deles aumentasse quando expostos a um maior fluxo de energia eletromagntica.

Ironicamente, o efeito fotoeltrico exibe o aspecto de partcula da luz, que tem um aspecto dual e dependendo do experimento ela pode se manifestar ora como onda ora como partcula.

A Hiptese Quntica formulada por Max PLanck para resolver o problema da radiao de corpo negro foi um conceito radical para a Fsica. Ele teorizou que as partculas da superfcie de um oscilador eletromagntico somente absorvem e emitem energia mltiplos de h:

(6.0)Onde h a constante de Planck e a frequncia do fton. Albert Einstein ento interpretou que a luz era o sistema discreto formado por estes pacotes de energia, como uma partcula. Os fsicos da poca resistiram ideia porque ela contradizia a figura estabelecida da luz como uma onda. Ento ele encontrou o efeito fotoeltrico, que poderia apoiar sua teoria e chamou de ftons estes pacotes de luz. [1]

Um estudo sistemtico do efeito foto-eltrico pode ser realizado com o dispositivo representado na figura. A luz penetra no tubo evacuado atravs de uma janela de quartz. Os eltrons emitidos pelo catodo so acelerados pela diferena de potencial ajustvel V. O ampermetro mede a corrente I. A chave de inverso permite aplicar valores negativos de V, no qual caso os eltrons esto sendo freados aps emisso.

Figura 2. Dispositivo para estudo do efeito fotoeltrico [2]Resultados tpicos esto mostrados na figura abaixo.

Figura 3: Resultados tpicosEfeito fotoeltrico: variao da corrente com a voltagem, para dois valores da intensidade luminosa.

Para um dado valor da intensidade luminosa L, observa-se que a corrente aumenta com a voltagem, alcanando um valor de saturao. Podemos interpretar este resultado como indicando que, se a voltagem for suficiente, todos os eltrons, at mesmo aqueles que saem do catodo com pouqussima energia, conseguem chegar at o coletor.

Observa-se tambm que, para zerar a corrente, necessrio aplicar uma voltagem negativa -V0. Nesta situao, nem mesmo os mais energticos dos eltrons emitidos conseguem chegar at o coletor. Se denotarmos por Kmax a energia cintica mxima dos eltrons ao serem expelidos do material, temos a relao

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Se aumentarmos a intensidade da luz, sem modificar a sua freqncia, observamos que a corrente de saturao aumenta na mesma proporo. J o valor do potencial de corte V0 permanece o mesmo. Este fato surpreendente do ponto de vista das idias clssicas lembradas acima, pois seria de se esperar que uma maior intensidade da luz - maior campo eletromagntico - levasse a uma maior fora aplicada a um eltron no material e portanto permitiria uma maior energia final deste.

Outro fato surpreendente que no se observa nenhum atraso no estabelecimento da corrente em relao ao comeo da exposio do material luz, mesmo para luz de intensidade muito baixa. No difcil estimar, na base das ideias clssicas, que tal atraso deveria ser facilmente observvel.

No seu "ano maravilhoso" de 1905, Einstein1, motivado pelo trabalho de Planck e inspirado por sua nova viso da cinemtica, introduziu a ideia da quantizao da radiao, ressuscitando assim a viso corpuscular da mesma.

Para explicar o espectro de radiao do corpo negro, Planck tinha postulado que a energia de uma onda eletromagntica numa cavidade assumia valores quantizados. Porm, Planck acreditava que esta propriedade era essencialmente uma caracterstica - at a no explicada - das trocas de energia entre as cargas nas paredes da cavidade e a radiao nela contida.

Einstein deu um passo gigantesco para frente ao interpretar a hiptese de Planck como indicando que a radiao era composta de pacotes ou quanta de energia, propagando-se como partculas. A cada uma destas partculas - agora chamadas ftons, ele atribuiu uma energia relacionada com a freqncia n da radiao por

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O estado da onda de energia

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prevista pela teoria de Planck ento interpretado como um estado de n ftons.

As interaes entre radiao e matria passam a ser consideradas com processos de emisso e absoro de ftons. Em especial, o efeito fotoeltrico interpretado como a absoro de um fton pela matria, levando ejeo de um eltron. A energia conservada neste processo, de maneira que se denotarmos por w o trabalho necessrio para liberar o eltron do material, a energia cintica do eltron aps ejeo

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Em geral, o trabalho w no igual para todos os eltrons. Alguns eltrons esto mais firmemente ligados ao material que outros. O valor mnimo de w, que denotaremos por w0, uma quantidade caracterstica de cada material chamada funo trabalho. Obviamente, este trabalho mnimo leva mxima energia cintica do eltron emitido (para uma dada freqncia):

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Evidentemente, se o lado direito desta equao for negativo, no haver possibilidade de o efeito ocorrer. Ou ainda, o efeito ocorrer apenas quando a freqncia for superior a um valor n0 dado por

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Para valores menores da freqncia, o fton no traz energia suficiente para vencer a funo trabalho e o eltron permanece preso no material.

V se que a teoria de Einstein prev uma simples dependncia linear para a variao da energia cintica mxima com a freqncia. Como j mencionado, as observaes de Lenard no tinham permitido a determinao desta funo. Foi apenas em 1914 que Millikan2 conseguiu confirmar experimentalmente a teoria de Einstein. A figura abaixo ilustra o caso do efeito fotoeltrico sobre um catodo de sdio. Repare que a anlise do grfico da variao de Kmax em funo de n permite a determinao da funo trabalho do material considerado e fornece uma determinao da constante de Planck. A concordncia, dentro das limitaes experimentais, do valor obtido com aquele extrado da anlise da radiao de corpo negro, constitui-se numa confirmao da teoria de Einstein.

Efeito fotoeltrico: variao da energia mxima dos eltrons com a freqncia.

Na teoria de Einstein, a energia cintica mxima dos eltrons, e portanto o potencial de corte V0, depende da freqncia da radiao, mas no da sua intensidade. Na viso corpuscular, aumentar a intensidade da radiao significa aumentar o nmero de ftons incidente por segundo. O nmero de eltrons liberados por segundo ou seja, a corrente eltrica, aumenta na mesma proporo, como observado experimentalmente.

A teoria de Einstein tambm permite entender porque no se observa qualquer atraso no estabelecimento da corrente em relao ao comeo da iluminao. Mesmo se a intensidade da radiao for muito baixa, to logo a iluminao for iniciada, haver ftons alcanando o material. J que apenas um fton necessrio para produzir o efeito, a corrente ser estabelecida imediatamente. Apenas, o seu valor ser pequeno tambm. [2]

2. OBJETIVOS3. MATERIAIS E MTODOS

4. PROCEDIMENTO:5. RESULTADOS E DISCUSSES6.CONCLUSO

6. REFERNCIAS

1. http://www.dfte.ufrn.br/caio/index.htmlAcessado em 17/03/2014 s 18:20

2. http://www.if.ufrgs.br/~betz/iq_XX_A/fotoElec/aFotoElecFrame.htmAcessado em 17/03/2014 s 18:49

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