O FÓTON
3a AULA
Embedded Files
Na última aula vimos que o físico alemão Max Planck propos uma ideia muito esquisita para resolver o problema da radiação do corpo negro.
Ele propôs uma equação matemática que considera a energia da radiação eletromagnética de um corpo negro é emitida em quantidades discretas (ou seja, em "pacotinhos) de acordo com a equação (E = n.h.f) e não continuamente, como a física clássica previa .
Se você não assistiu a essa aula, clique aqui.
Esse conceito era bastante estranho, pois a física da época (que chamaremos de FÍSICA CLÁSSICA a partir de agora) não admitia essa ideia.
Porém essa dieia estranha resolvia perfeitamente o problema.
O próprio Planck nunca se arriscou a dar um significado físico para essa fórmula, mantendo a dúvida se sua solução do problema da radiação do corpo negro tinha realmente algum significado físico ou se era apenas um artifício matemático.
Cinco anos depois, o então desconhecido físico alemão Albert Einstein retoma a ideia Planck, confirma e amplifica esse conceito e dá um significado físico para ele. A partir daí a física nunca mais seria a mesma.
Assista ao vídeo abaixo:
O EFEITO FOTOELÉTRICO
O EFEITO FOTOELÉTRICO
Em 1839, o físico francês Antoine-Henri Becquerel observou que quando havia incidência de radiação (luz e ultravioleta) numa superfície metálica, eram produzidas descargas elétricas dessa placa. Ou seja, a luz fazia surgir eletricidade.
Quase cinquenta anos depois, em 1887 o físico alemão Heinrich Rudolf Hertz (sim, o mesmo que ganhou a unidade de medida da frequência de uma onda), estava ocupado em fazer experimentos para comprovar a existência de ondas eletromagnéticas (que Maxwell tinha teorizado alguns anos antes),e ao realizar estes experimentos ele notou também o mesmo efeito observado por Becquerel.
A luz (e a radiação ultravioleta) eram capazes de produzir descargas elétricas em placas feitas de metal.
Em 1888, o físico britânico Joseph John Thomson demonstrou que essa descarga elétrica que surgia nestas superfícies metálicas, quando iluminadas por luz ou por raios ultravioleta, eram elétrons que saltavam delas.
Portanto concluiu-se que a luz era capaz de arrancar elétrons da superfície de uma placa metálica.
Esse fenômeno ficou conhecido como efeito Hertz ou EFEITO FOTOELÉTRICO.
Esse efeito era explicável pela física da época pois, como eles sabiam, a onda carrega energia e a luz já era entendida como uma onda nessa época. Ao encontrar a placa metálica a onda de luz transfere uma parte de sua energia para um dos elétrons que estão presentes nessa placa, ele absorve essa energia e acaba saltando da placa.
Esse efeito não ocorre somente em placas metálicas, mas em qualquer superfície que, ao serem atingidas por radiação eletromagnética perde elétrons.
Se na sua casa existe algum móvel ou objeto que fica exposto à luz do Sol durante muito tempo, você pode perceber que este móvel ou objeto com o tempo vai ficando mais desbotado e, dependendo do material, vai ficando mais desgastado e quebradiço. Isso ocorre por causa do efeito fotoelétrico.
O PROBLEMA DO EFEITO FOTOELÉTRICO
O PROBLEMA DO EFEITO FOTOELÉTRICO
Porém, Hertz (e seus assistentes) ao estudarem mais profundamente esse fenômeno descobriram algo bem esquisito:
Eles descobriram que quando se incide radiação ultravioleta as descargas elétricas eram intensificadas (ou seja, a luz ultravioleta aparentemente transmitia mais energia aos elétrons que a luz visível).
A partir dessa descoberta, foram ralizados vários experimentos usando luz monocromática (luz com frequencia bem determinada, ou em outras palavras, luz de uma cor só) e foi verificado algo mais estranho ainda:
ABAIXO DE UMA DETERMINADA FREQUENCIA DE LUZ, OS ELÉTRONS SIMPLESMENTE NÃO SALTAVAM DA PLACA, INDEPENDENTE DO TEMPO QUE A PLACA FICASSE EXPOSTA A ESSA LUZ.
Ou seja, a energia cinética dos elétrons que deixavam as placas metálicas era diretamente proporcional à frequência de luz que as iluminava.
Esse resultado (que foi amplamente verificado por muitos físicos) IA CONTRA A FÍSICA CLÁSSICA. Pois se a energia da onda era transmitida continuamente, bastava esperar um tempo com a onda "batendo" naquela placa para os eletrons acumulassem energia suficiente para serem ejetados. E também, de acordo com a física clássica, a energia da onda não poderia depender da frquencia desta onda, mas apenas da intensidade e do tempo em que a onda "age" sobre a placa.
EINSTEIN ENTRA EM CENA
EINSTEIN ENTRA EM CENA
Antes de falar sobre como Einstein resolveu o problema do efeito fotoelétrico (e mudou a física para sempre), vamos falar um pouco sobre ele.
Segundo a Wikipedia, Albert Einstein nasceu na cidade de Ulm (Alemanha) em 14 de março de 1879 e morreu em Princeton (E.U.A.) em 18 de abril de 1955. Foi um físico teórico alemão que desenvolveu a teoria da relatividade geral, um dos pilares da física moderna ao lado da mecânica quântica. Embora mais conhecido por sua fórmula de equivalência massa-energia, E = mc² — que foi chamada de "a equação mais famosa do mundo" —, foi laureado com o Prêmio Nobel de Física de 1921 "por suas contribuições à física teórica" e, especialmente, por sua descoberta da lei do efeito fotoelétrico, que foi fundamental no estabelecimento da teoria quântica.
Nascido em uma família de judeus alemães, mudou-se para a Suíça ainda jovem e iniciou seus estudos na Escola Politécnica de Zurique.
Após dois anos procurando emprego, obteve um cargo no escritório de patentes suíço enquanto ingressava no curso de doutorado da Universidade de Zurique.
Em 1905 publicou uma série de artigos acadêmicos revolucionários. Uma de suas obras era o desenvolvimento da teoria da relatividade especial. Percebeu, no entanto, que o princípio da relatividade também poderia ser estendido para campos gravitacionais, e com a sua posterior teoria da gravitação, de 1916, publicou um artigo sobre a teoria da relatividade geral.
Enquanto acumulava cargos em universidades e instituições, continuou a lidar com problemas da mecânica estatística e teoria quântica, o que levou às suas explicações sobre a teoria das partículas e o movimento browniano.
Também investigou as propriedades térmicas da luz, o que lançou as bases da teoria dos fótons.
Estava nos Estados Unidos quando o Partido Nazista chegou ao poder na Alemanha, em 1933, e não voltou para o seu país de origem, onde tinha sido professor da Academia de Ciências de Berlim. Estabeleceu-se então no país, onde naturalizou-se em 1940.
Em 1999 foi eleito por 100 físicos renomados o mais memorável físico de todos os tempos. No mesmo ano a revista TIME, em uma compilação com as pessoas mais importantes e influentes, o classificou a pessoa do século XX.
A SOLUÇÃO DE EINSTEIN PARA O EFEITO FOTOELÉTRICO
A SOLUÇÃO DE EINSTEIN PARA O EFEITO FOTOELÉTRICO
A solução de Einstein para o problema do efeito fotoelétrico publicada no ano de 1905 foi simples, genial e revolucionária!
Em 1905 Einstein era um jovem físico que trabalhava no escritório de patentes na Suiça.
Ele conhecia a solução de Planck (publicada em 1901) para a radiação do corpo negro e sabia que essa solução utilizava um artifício matemático que considerava que a radiação emitida por um corpo negro se dava de forma discreta, em "pacotinhos" e não continuamente.
Com isso em mente ele pensou "se isso vale para a radiação térmica emitida por um corpo negro, deve valer também para a luz (que é uma radiação, onda eletromagnética) e também para a radiação ultravioleta.
Partindo dessa ideia, ele propôs a idéia de que a energia de qualquer radiação (onda eletromagnética) está QUANTIZADA em pacotes concentrados!
Ele chamou esse "pacotinho" de energia de QUANTUM que vem do latin e significa "a menor quantidade de alguma coisa".
A ideia de Eisntein foi a de que a luz (ou qualquer outra radiação eletromagnética) é composta de "partículas" de energia concentrada.
QUANTA é o plural de quantum em latim.
Daí vem a origem do termo FÍSICA QUÂNTICA ou mecânica quântica.
Ao lançar mão dessa hipótese, ele usou a equação de Planck para a determinar o valor da energia de cada quantum de luz (ou de qualquer radiação eletromagnética):
E = h.f
Usando essa equação de Planck, Einstein consegue resolver o problema do efeito fotoelétrico pois ela afirma que a energia dos quanta de radiação são proporcionais à frequencia dessa radiação, e são estes quanta que transmitem a energia para o elétron na placa metálica (ou qualquer outra superfície).
Ao invés da energia da radiação eletromagnética ser transmitida continuamente para o elétron na placa metálica, ela é transmitida por uma partícula, o quantum de energia concentrada.
Na figura o fotoelétron é o nome dado ao elétron que "saltou" da placa ao receber a energia do quantum da radiação
Como já sabemos, o espectro eletromagnético divide as radiações eletromagnéticas por suas frequencias:
A radiação ultravioleta tem frequencia maior que a a luz visível. Usando a ideia de Einstein, isso significa que os quanta de radiação ultravioleta carregam mais energia que os quanta de luz visível. Isso explica o fenômeno observado por Hertz.
Da mesma forma que os quanta de luz azul-violeta que tem mais energia que os quanta de luz verde (porque a frequencia da luz azul é maior que a frequencia da luz verde) que por sua vez tem mais energia que os quanta de luz vermelha.... e assim por diante.
Isso explica porque o efeito fotoelétrico só acontece a partir de uma determinada frequencia (independente do tempo que a superfície fique exposta à luz). Como a energia é absorvida pelo elétron como se fosse por uma "colisão" com um pacote de energia concentrada (o quantum), então o tempo de exposição não influencia no fenomeno, mas sim a energia que esse "pacote" carrega. Quando a frequencia da radiação é muito baixa, os quanta simplesmente não tem energia suficiente para arrancar os elétrons da superfície, não importa o tempo que essa superfície fique exposta àquela radiação.
Seria como se a luz fosse composta por "bolinhas", ou seja, pacontes de energia localizados num volume muito pequeno no espaço, e que ao se chocarem com a matéria, transmitem sua energia para a matéria (e neste caso fazem os elétrons "pularem" da placa metálica).
EM REUSMO, EINSTEIN PROPÕE A EXISTÊNCIA DE UMA NOVA PARTÍCULA, UMA ESPÉCIE DE "PARTÍCULA DE LUZ", DA QUAL A LUZ (E TODAS AS RADIAÇÕES) SERIA COMPOSTAS.
ESTA PARTÍCULA SERIA RESPONSÁVEL POR TRANSMITIR A ENERGIA DAS RADIAÇÕES DE ACORDO COM A EQUAÇÃO PROPOSTA POR PLANCK
( E = h.f)
EINSTEIN ENTÃO PROPÕE QUE A LUZ (E AS DEMAIS RADIAÇÕES) TEM UMA NATUREZA CORPUSCULAR.
SOMENTE 21 ANOS MAIS TARDE ESSA "PARTÍCULA DE LUZ" SERIA CHAMADA DE FÓTON.
O FÓTON
O FÓTON
A palavra FÓTON só foi criada em 1926. Vêm do grego phos-, “luz”, mais on, aqui com o sentido de “unidade”. Portanto Fóton significa literalmente "unidade de luz".
Foi Einstein quem criou o conceito de fóton (ou seja, destas partículas de luz) mas ele usava o termo "quatum" ou "quata" no plural. O nome fóton surgiu 21 anos apís a publicação do artigo de Esinstein sobre o efeito fotoelétrico.
Apesar de Planck e Einstein terem criado o conceito de quanta, Einstein não usou a palavra fóton em seus primeiros escritos. A palavra "fóton" se originou a partir de Gilbert N. Lewis, sobre o papel do efeito fotoelétrico de Einstein e apareceu em uma carta ao editor da revista Nature (Vol. 118, Part 2, 18 de dezembro de 1926, página 874-875).
Uma ideia que não foi aceita imediatamente
Uma ideia que não foi aceita imediatamente
A ideia de que a luz poderia ser constituída por partículas não foi bem acolhida na época que Einstein a propos.
Embora a equação do efeito fotoelétrico descrevesse perfeitamente os resultados experimentais, praticamente toda a comunidade científica rejeitou a ideia do físico alemão. A equação de Einstein indicava a possibilidade da medida da constante de Planck, que estava associada à energia do quantum.
A teoria eletromagnética estava muito bem estabelecida e muito bem demonstrada em laboratório. Além disso, a ideia de Eisntein trazia uma contradiação em si:
Como uma partícula poderia tem uma frequência?
Qual a massa dessa partícula de luz?
Partículas e ondas são coisas diferentes. Partícula tem massa e se comporta totalmente diferente das ondas. Porém todos os experimentos e a teoria da época mostrava (com exito) que a luz tinha todas as características de um onda. Por exemplo, a luz sofre difração (que é um fenômeno que acontece somente com ondas.... uma partícula não sofre difração. Para relembrar esse conceito clique aqui).....ou será que sofre??????
A ideia de Einstein dos quanta de luz era demasiadamente estranha pra física da época.
Essa hipótese deu origem a um dos mais esquisitos conceitos da física quântica, a DUALIDADE ONDA-PARTÍCULA (que será o tema da próxima aula).
PRÊMIO NOBEL EM 1921
PRÊMIO NOBEL EM 1921
APESAR DE TODA A CONTROVÉRSIA, a hipótese de Einsten, de que a luz é contituída de pacotes de energia, os quanta ou fótons, foi validada experimentalmente no ano de 1914 (9 anos depois de ser proposta) pelo físico estadunidense Robert Andrews Millikan.
O interessante nessa história é que Millikan confirmou a hipótese de Einstein, mas seu objetivo ao realizar os experimentos era justamente o oposto, ele queria provar na vervade que Einstein estava errado.
reconhecidamente um competente experimentalista, Millikan passou 10 anos da sua vida tentando mostrar que Einstein estava errado. No entanto, obteve resultados tão precisos da constante de Planck que não apenas validou a equação de Einstein, como teve seu trabalho reconhecido na outorga do prêmio Nobel de Física de 1923. Todavia, ao longo da sua vida, raramente Millikan manifestou-se favorável à teoria do quantum de luz – reconhecia a correção da equação de Einstein, mas não acreditava na teoria.
Veja detalhes neste site:
https://jornal.usp.br/atualidades/vencedor-do-nobel-robert-millikan-questionava-teoria-de-einstein-sobre-fotons/
No ano de 1921 Einstein recebeu o prêmio Nobel por ter previsto teoricamente a lei do efeito fotoelétrico.
Aplicações tecnológicas do efeito fotoelétrico
Aplicações tecnológicas do efeito fotoelétrico
Diversas aplicações tecnológicas surgiram com base na explicação do efeito fotoelétrico. A mais famosa delas seja talvez a das células fotovoltaicas. Essas células são as unidades básicas dos painéis solares, por meio delas é possível converter a energia luminosa em corrente elétrica. Confira uma lista com as principais invenções baseadas no efeito fotoelétrico:
Células fotovoltaicas;
Sensores de movimento;
Câmeras digitais
Muitos outros
Simulação de efeito fotoelétrico
Simulação de efeito fotoelétrico
No link abaixo você encontra uma experiência interativa na qual poderá brincar com o efeito fotoelétrico, variando a frequencia da radiação que incide numa placa metálica e observando o efeito.
Agora é com você.
Agora é com você.
Faça a atividade clicando no link abaixo:
REFERÊNCIAS:
https://sites.ifi.unicamp.br/lfmoderna/conteudos/efeito-fotoeletrico/
https://pt.wikipedia.org/wiki/Efeito_Becquerel
https://brasilescola.uol.com.br/fisica/o-efeito-fotoeletrico.htm
https://pt.wikipedia.org/wiki/Albert_Einstein
https://greenvolt.com.br/o-efeito-fotovoltaico/
https://www.fisica.net/mecanica-quantica/a-origem-da-palavra-foton.php
Page updated
Google Sites
Report abuse