Fótons e Efeito Fotoelétrico
Produzido por Marcelo BrillantinoTeoria
Quantificação da energia
No modelo de Bohr, ao absorver energia o elétron pula de um nível da eletrosfera para outro.
OK. Mas se o “espaço” entre um nível e outro não é permitido, como ele passa de um nível para outro???
Quando ele já saiu de um nível, mas ainda não chegou no outro, onde ele tá? É tipo teletransporte?
A gente já comentou que alguns postulados de Bohr ainda são aceitos, enquanto outros estão comprovadamente errados. A quantificação da energia proposta por ele está entre os postulados ainda aceitos.
É como se o elétron só pudesse ficar em determinados níveis de energia. Estamos acostumados a pensar em uma rampa, ou seja, num aumento gradativo de energia. Mas para o elétron, a subida é via escada. Só os degraus são permitidos.
Em termos de energia é mais fácil de aceitar do que pensando em “trajetória” né?
Tipo... Tudo bem “subir os degraus de energia”, mas desaparecer num nível e aparecer no outro não pode?
A nossa tendência em aceitar uma explicação mais do que a outra é puramente porque estamos acostumados a pensar dessas formas. Nos tempos de Bohr, pensar em energia discreta (não contínua) parecia tão impossível quanto o elétron se teletransportar de um nível para o outro.
As coisas começaram a mudar com as observações das radiações dos corpos negros.
Radiação do Corpo Negro
Você já viu algo muito quente “brilhando”?
Quando um corpo negro é aquecido (muito aquecido), ele começa a “brilhar” (emitir radiação na forma de luz visível). Esse fenômeno é conhecido como incandescência.
A definição de corpo negro é essa mesma: um cara que emite radiação ao ser aquecido. E o nome negro é porque ele absorve todos os comprimentos de onda que incidem sobre ele, sem preferências!
Quando ele é aquecido, primeiro, ele tem um brilho avermelhado e, conforme a temperatura aumenta, o brilho passa a ser mais alaranjado, amarelado... até chegar num brilho branco.
Quando as radiações emitidas foram medidas, descobriu-se que, ao mudar de cor, não é que o corpo negro estivesse “deixando de emitir no vermelho e passando a emitir no amarelo”.
Quando o objeto era aquecido, ele passava a emitir mais em todos os comprimentos de onda. Ele estava emitindo mais no vermelho, mas ainda mais no amarelo.
Ou seja, conforme a temperatura aumenta, a intensidade da luz emitida também aumenta!
Mas como a gente quantifica essa emissão?
E Stefan-Boltzmann propôs que a intensidade de luz emitida era proporcional à temperatura na quarta potência:
Lei de Stefan-Boltzmann
Além disso, conforme a temperatura subia, o “máximo de emissão” se deslocava para comprimentos de onda cada vez menores (maior energia).
Wien observou que o produto entre o comprimento de onda de máxima absorção e a temperatura do corpo era sempre constante:
Lei de Wien
Os resultados observados eram esses:
Tudo muito bom, tudo muito bem.
Mas, se tudo que a física clássica acreditava fosse verdade:
- Qualquer corpo fora do zero absoluto de temperatura () deveria brilhar (se tem temperatura, deveria ter intensidade luminosa!). Não existiria escuridão.
- Corpos muito quentes deveriam emitir em comprimentos de onda tão pequenos (raios X, gama, cósmicos) e t��o energéticos que destruiriam coisas ao redor deles. No gráfico de intensidade de luz emitida, aquela queda de intensidade no ultravioleta não deveria ocorrer.
A divergência entre o previsto pela física clássica e o observado experimentalmente na região do ultravioleta ficou conhecido como catástrofe do ultravioleta.
Os cientitas da época estavam se sentindo como a gente numa aula experimental: a teoria diz uma coisa, mas dá tudo ao contrário.
Fazer o que?! Se os resultados experimentais estão certos, só dá pra MUDAR A TEORIA!!!
Teoria de Planck
Planck foi o primeiro a propor que a energia só era passada de um corpo para o outro através de pequenos pacotinhos de energia.
Com isso:
- Corpos com baixa temperatura não “brilhavam”: como a energia não é contínua, não basta ter energia térmica para brilhar. O brilho só acontece depois de determinado patamar de energia.
- As emissões no ultravioleta (e em faixa ainda mais energéticas) não começam no 0 K e vão aumentando gradativamente. Elas só começam num patamar de temperatura altíssimo e aí sim acréscimos de temperatura geram acréscimos na intensidade de radiação emitida.
Lembra que a gente dividiu a matéria até chegar no átomo? Planck dividiu a energia até chegar no quantum.
Quantum é a menor quantidade de energia que pode ser emitida ou absorvida como radiação eletromagnética.
E por que você deve confiar nesse tal de Planck?
A teoria do cara funciona, explica várias paradas e prevê outras tantas.
Além disso, as ideias dele foram exploradas por ninguém mais, ninguém menos que Albert Einstein. Einstein provou a teoria de Planck estudando o efeito fotoelétrico e, aliás, ganhou um nobel por isso.
Se até Glorinha achou bacana, vamos dar uma olhada nesse efeito fotoelétrico aí.
Efeito Fotoelétrico
Efeito fotoelétrico é quando um metal emite elétrons ao ser atingido por uma radiação de determinada frequência.
Tipo assim:
Os experimentos mostravam que ainda que a luz incidida fosse muito intensa, a emissão de elétrons só ocorria após atingida determinada frequência mínima.
Einstein se apropriou das ideias de Planck e foi além. Ele propôs que a radiação eletromagnética é feita de partículas.
Sim, amigos. A luz é feita de pequeníssimas partículas chamadas fótons.
E cada fóton pode ser entendido com um pequeníssimo pacote de energia.
A energia que um único fóton carrega é dada pela equação abaixo e depende da frequência desse fóton.
Onde é a constante de Planck e vale J.s, é a energia do fóton e é a frequência.
Assim:
- caso a frequência do fóton seja muito baixa, ele não tem energia suficiente para arrancar elétrons da superfície metálica, ainda que muitos fótons sejam incididos (alta intensidade luminosa);
- com a frequência adequada, mesmo a menor intensidade de luz é capaz de ejetar elétrons do metal;
- na frequência adequada, quanto maior a intensidade luminosa, maior o número de elétrons ejetados.
Calma que a gente já tá acabando.
Com a teoria do fóton, o efeito fotoelétrico funciona assim:
- a luz é absorvida pelos elétrons presentes no metal e a energia da luz aumenta a energia dos elétrons;
- o elétron está ligado ao metal por uma energia específica, chamada função trabalho do metal e simbolizada por (fi);
- quando a energia absorvida pelo elétron ultrapassa a energia específica que o liga ao resto do metal, ele é ejetado;
- se sobrar alguma energia depois que a função trabalho for superada, o excesso é convertido em energia cinética.
Como a energia cinética é:
Pelo efeito fotoelétrico, a energia cinética é aquela que foi dada ao elétron menos a que foi gasta para “soltar o elétron”.
Fechou?
Antes dos exercícios, um agradecimento especial pra Glória que permaneceu todo esse tópico com a gente.
E bora praticar!