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 a primeira vez por Heinrich Hertz em 1887, o fenômeno é também conhecido por “efeito Hertz”, não sendo porém este termo de uso comum.
EFEITO FOTOELÉTRICO E EFEITO COMPTON
quarta-feira, 15 de junho de 2011
quarta-feira, 27 de abril de 2011
O EFEITO COMPTON
Em Fìsica, Efeito Compton ou o Espalhamento de Compton, é a diminuição de energia (aumento de comprimento de onda) de um fóton de raio-X ou de raio gama, quando ele interage com a matéria. Espalhamento Inverso de Compton também existe, onde o fóton ganha energia (diminuindo o comprimento de onda) pela interação com a matéria. O comprimento de onda aumentado ou diminuído no total é denominado variação de Compton. Entretanto, o espalhamento nuclear de Compton existe, que é a interação envolvendo apenas elétrons de um átomo. O Efeito Compton foi observado por Arthur Holly Compton em 1923, pelo qual fez ele receber o Prêmio Nobel de Física em 1927.
A IMPORTÂNCIA DO EFEITO COMPTON
O efeito é importante porque ele demonstra que a luz não pode ser explicada meramente como um fenômeno ondulatório. O espalhamento de Thomson, a clássica teoria de partículas carregadas espalhadas por uma onda eletromagnética, não pode explicar alguma variação no comprimento de onda. A luz deve agir como se ela consistisse de partículas como condição para explicar o espalhamento de Compton. O experimento de Compton convenceu os físicos de que a luz pode agir como uma corrente de partículas cuja energia é proporcional à frequência.
A interação entre a alta energia dos fótons e elétrons resulta no elétron recebendo parte da energia (fazendo-o recuar), e um fóton contendo a energia restante sendo emitida numa direção diferente da original, sempre conservando o momentum total do sistema. Se o fóton ainda possui bastante energia, o processo pode ser repetido.
O espalhamento de Compton ocorre em todos os materiais e predominantemente com fótons de média-energia (entre 0.5 e 3.5 MeV). Ele é também observado com fótons de alta-energia; fótons de luz visível ou de frequências mais altas, por exemplo, possuem energia suficiente para expelir os elétrons saltados do átomo
Equações :
Equações :
Analisando o efeito fotoelétrico quantitativamente usando o método de Einstein, as seguintes equações equivalentes são usadas:
Energia do fóton = Energia necessária para remover um elétron + Energia cinética do elétron emitido
Algebricamente:
onde
- h é a constante de Planck,
- f é a frequência do foton incidente,
- é a função trabalho, ou energia mínima exigida para remover um elétron de sua ligação atômica,
- é a energia cinética máxima dos elétrons expelidos,
- f0 é a frequência mínima para o efeito fotoelétrico ocorrer,
- m é a massa de repouso do elétron expelido, e
- vm é a velocidade dos elétron expelidos.
Notas:
- Se a energia do fóton (hf) não é maior que a função trabalho (φ), nenhum elétron será emitido. A função trabalho é ocasionalmente designada por W.
- Em física do estado sólido costuma-se usar a energia de Fermi e não a energia de nível de vácuo como referencial nesta equação, o que faz com que a mesma adquira uma forma um pouco diferente.
- Note-se ainda que ao aumentar a intensidade da radiação incidente não vai causar uma maior energia cinética dos elétrons (ou electrões) ejectados, mas sim um maior número de partículas deste tipo removidas por unidade de tempo.
- Os elétrons que giram à volta do núcleo 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 dos elétrons.
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 a primeira vez por Heinrich Hertz em 1887, o fenômeno é também conhecido por "efeito Hertz", não sendo porém este termo de uso comum.
Os elétrons que giram à volta do núcleo 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.
Albert Einstein e o Efeito Fotoelétrico
O transporte de energia em uma onda eletromagnética, por exemplo a luz, é descrito, por Maxwell, pelo vetor de Poynting, produto vetorial dos campos elétrico e
magnético, e é distribuída em todo o espaço no qual a onda existe. O vetor de Poynting funciona perfeitamente para ondas se propagando no vácuo e pode ser
usado para determinar a quantidade de radiação solar que atinge a Terra. No entanto, fracassa ao descrever a interação da radiação com a matéria. Ao tentar descrever o
espalhamento de luz por átomos, Rayleigh propôs a seguinte questão: como descrever o espalhamento de radiação por um alvo cuja dimensão é muito menor do ue o comprimento de onda da radiação incidente? A sua questão envolvia um problema específico: a luz tem comprimentos de onda que variam entre 10-6 e 10-7 m
enquanto que o raio do átomo de Thomson é da ordem de 10-10 m. Ele decidiu, então,
considerar uma seção de choque para o átomo dependente da radiação incidente, proporcional a λ2. Mesmo com as ponderações de Thomson, o modelo ondulatório de
Maxwell não funcionou para a interação da radiação com a matéria como, por exemplo, no efeito fotoelétrico.
A solução para o problema foi apresentada por Albert Einstein (1879-1955) em 1905. De maneira semelhante à proposta por Planck, Einstein considerou que era
necessário granular (quantizar) também a radiação. A comunidade científica levou mais de 10 anos para reconhecer a validade de seu trabalho e a necessidade de
introduzir rupturas nas teorias clássicas. Em 1916, Robert Andrews Millikan (1868- 1953), conhecido pelo experimento que determinou a carga elementar, publicou um
trabalho acurado sobre o efeito fotoelétrico e a solução apresentada por Einstein reconhecendo: Eu trabalhei 10 anos de minha vida testando a equação de Einstein de
1905 e contrário a todas as minhas expectativas, eu fui compelido em 1915 a assegurar sua verificação experimental, a despeito de sua não razoabilidade desde
que ela parece violar tudo que eu sabia acerca da interferência da luz. Em 1921, Einstein recebeu o prêmio Nobel de Física pelas suas contribuições à Física Teórica,
em particular por seu trabalho sobre o efeito fotoelétrico.
magnético, e é distribuída em todo o espaço no qual a onda existe. O vetor de Poynting funciona perfeitamente para ondas se propagando no vácuo e pode ser
usado para determinar a quantidade de radiação solar que atinge a Terra. No entanto, fracassa ao descrever a interação da radiação com a matéria. Ao tentar descrever o
espalhamento de luz por átomos, Rayleigh propôs a seguinte questão: como descrever o espalhamento de radiação por um alvo cuja dimensão é muito menor do ue o comprimento de onda da radiação incidente? A sua questão envolvia um problema específico: a luz tem comprimentos de onda que variam entre 10-6 e 10-7 m
enquanto que o raio do átomo de Thomson é da ordem de 10-10 m. Ele decidiu, então,
considerar uma seção de choque para o átomo dependente da radiação incidente, proporcional a λ2. Mesmo com as ponderações de Thomson, o modelo ondulatório de
Maxwell não funcionou para a interação da radiação com a matéria como, por exemplo, no efeito fotoelétrico.
A solução para o problema foi apresentada por Albert Einstein (1879-1955) em 1905. De maneira semelhante à proposta por Planck, Einstein considerou que era
necessário granular (quantizar) também a radiação. A comunidade científica levou mais de 10 anos para reconhecer a validade de seu trabalho e a necessidade de
introduzir rupturas nas teorias clássicas. Em 1916, Robert Andrews Millikan (1868- 1953), conhecido pelo experimento que determinou a carga elementar, publicou um
trabalho acurado sobre o efeito fotoelétrico e a solução apresentada por Einstein reconhecendo: Eu trabalhei 10 anos de minha vida testando a equação de Einstein de
1905 e contrário a todas as minhas expectativas, eu fui compelido em 1915 a assegurar sua verificação experimental, a despeito de sua não razoabilidade desde
que ela parece violar tudo que eu sabia acerca da interferência da luz. Em 1921, Einstein recebeu o prêmio Nobel de Física pelas suas contribuições à Física Teórica,
em particular por seu trabalho sobre o efeito fotoelétrico.
A grande dúvida que se tinha a respeito do efeito fotoelétrico era que quando se aumentava a intensidade da luz, ao contrário do esperado, a luz não arrancava os elétrons do metal com maior energia cinética. O que acontecia era que uma maior quantidade de elétrons era ejetado.
Por exemplo, a luz vermelha de baixa frequência estimula os elétrons para fora de uma peça de metal. Na visão clássica, a luz é uma onda contínua cuja energia está espalhada sobre a onda. Todavia, quando a luz fica mais intensa, mais elétrons são ejetados, contradizendo, assim a visão da física clássica que sugere que os mesmos deveriam se mover mais rápido (energia cinética) do que as ondas.
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