Efeito Fotoelétrico

Revisão por Rafael C. Asth

Professor de Matemática e Física

O efeito fotoelétrico ocorre quando há emissões de elétrons de um determinado material, devido a incidência de luz (radiação eletromagnética). Esse efeito é produzido em materiais condutores como metais e semicondutores.

Quando isso acontece, essa radiação libera elétrons da superfície. Dessa maneira, as ondas eletromagnéticas envolvidas com esse fenômeno transferem energia aos elétrons.

Estes elétrons acumulam energia suficiente para se desprenderem do material a determinada velocidade. Como os elétrons possuem massa, adquirem energia cinética.

O efeito fotoelétrico relaciona esta energia cinética adquirida pelo elétron com a energia recebida pela radiação eletromagnética e uma propriedade do material, chamada função trabalho, através da fórmula:

Onde:

• Ec é a energia cinética adquirida pelo elétron ao se desprender do material condutor;
• Ef é a energia do fóton (radiação eletromagnética) e depende da frequência da radiação;
• é a função trabalho, quantidade mínima de energia para se retirar elétrons pelo efeito fotoelétrico. Ela depende do material condutor.

Os três elementos da fórmula são medidos em Joule (J), pois se tratam de energia.

A energia cinética por ser determinada pela fórmula:

Fótons (o que são e fórmula da energia)

Esquema do Efeito Fotoelétrico

Os fótons são minúsculas partículas elementares que possuem energia e são mediadoras do efeito fotoelétrico. A energia do fóton é calculada pela seguinte fórmula:

Onde,

E: energia do fóton
h: constante de proporcionalidade (Constante de Planck: 6,63 . 10^-34 J.s)
f: frequência da radiação eletromagnética incidente.

A frequência f se relaciona com a velocidade da luz e o comprimento da onda eletromagnética, por:

Onde c é a velocidade da luz e é o comprimento da onda.

Assim, a frequência é determinada por:

No Sistema Internacional (SI), a energia do fóton é calculada em Joule (J) e a frequência em Hertz (Hz).

Substituindo f na equação da energia do fóton, temos:

Quem descobriu o Efeito Fotoelétrico?

O efeito fotoelétrico foi descoberto no final do século XIX pelo físico alemão Heinrich Hertz (1857-1894). Já no início do século XX, o cientista Albert Einstein, estudou mais afundo acerca desse efeito, contribuindo para sua modernização. Com isso, Einstein ganhou o Prêmio Nobel.

Segundo Einsten, a energia da radiação estaria concentrada numa parte da onda eletromagnética, e não distribuída sobre ela, como afirmava Hertz.

Observe que a descoberta desse efeito foi primordial para uma maior compreensão da luz.

Aplicações

Nas células fotoelétricas (fotocélulas), a energia luminosa se transforma em corrente elétrica. Diversos objetos e sistemas utilizam o efeito fotoelétrico, por exemplo:

• as televisões (de LCD e plasma)
• as reconstituições de sons nas películas de um cinematógrafo
• as iluminações urbanas
• os sistemas de alarmes
• as portas automáticas
• os aparelhos de controle (contagem) dos metrôs

Efeito Compton

Relacionado com o efeito fotoelétrico está o efeito de Compton. Ele ocorre no momento que há diminuição de energia de um fóton (de raios X ou de raio gama) quando este interage com a matéria. Note que esse efeito provoca um aumento do comprimento da onda.

Esquema do Efeito ComptonSaiba mais sobre

• Elétrons
• Ondas Eletromagnéticas
• Constante de Planck
• Física Quântica
• Teoria da Relatividade
• Espectro Eletromagnético

Exercícios sobre efeito fotoelétrico

Exercício 1

(UFRGS) Selecione a alternativa que apresenta as palavras que completam corretamente as lacunas, pela ordem, no seguinte texto relacionado com o efeito fotoelétrico.

O efeito fotoelétrico, isto é, a emissão de ….. por metais sob a ação da luz, é um experimento dentro de um contexto físico extremamente rico, incluindo a oportunidade de pensar sobre o funcionamento do equipamento que leva à evidência experimental relacionada com a emissão e a energia dessas partículas, bem como a oportunidade de entender a inadequacidade da visão clássica do fenômeno.

Em 1905, ao analisar esse efeito, Einstein fez a suposição revolucionária de que a luz, até então considerada como um fenômeno ondulatório, poderia também ser concebida como constituída por conteúdos energéticos que obedecem a uma distribuição ….. , os quanta de luz, mais tarde denominados ….. .

a) fótons – contínua – fótons
b) fótons – contínua – elétrons
c) elétrons – contínua – fótons
d) elétrons – discreta – elétrons
e) elétrons – discreta – fótons

Exercício 2

(ENEM) O efeito fotoelétrico contrariou as previsões teóricas da física clássica porque mostrou que a energia cinética máxima dos elétrons, emitidos por uma placa metálica iluminada, depende:

a) exclusivamente da amplitude da radiação incidente.
b) da frequência e não do comprimento de onda da radiação incidente.
c) da amplitude e não do comprimento de onda da radiação incidente.
d) do comprimento de onda e não da frequência da radiação incidente.
e) da frequência e não da amplitude da radiação incidente.

Exercício 3

(UFG-GO) Um laser emite um pulso de luz monocromático com duração de 6,0 ns, com frequência de 4,0.10¹⁴ Hz e potência de 110 mW. O número de fótons contidos nesse pulso é:

Dados: constante de Planck: h = 6,6 x 10^-34 J.s
1,0 ns = 1,0 x 10^-9 s

a) 2,5.10⁹
b) 2,5.10¹²
c) 6,9.10¹³
d) 2,5.10¹⁴
e) 4,2.10¹⁴

Revisão por Rafael C. Asth

Professor de Matemática licenciado, pós-graduado em Ensino da Matemática e da Física e Estatística. Atua como professor desde 2006 e cria conteúdos educacionais online desde 2021.