Aula 164 — O Efeito Fotoelétrico (A luz como partícula / fótons)

O professor pergunta: "se a luz é uma onda, como manda a teoria clássica, o que deveria acontecer se aumentássemos a INTENSIDADE (brilho) da luz incidindo sobre um metal, sem mudar sua cor (frequência)?" Ouvir hipóteses (resposta clássica esperada: elétrons ejetados com mais energia).

Perguntar: e se a luz for de uma cor (frequência) muito baixa, mas extremamente intensa e brilhante? Ela conseguiria arrancar elétrons do metal? Obstáculo a nomear (sem resolver ainda): achar que a energia transferida pela luz a um elétron depende da intensidade (brilho) da luz, como prevê a teoria ondulatória clássica.

Apresentação dos slides 2 a 9: no efeito fotoelétrico, luz incidindo sobre uma superfície metálica pode ejetar elétrons dela. Experimentalmente, observou-se algo que a teoria ondulatória clássica NÃO conseguia explicar: (1) existe uma frequência mínima (frequência de corte, f₀), abaixo da qual NENHUM elétron é ejetado, não importa quão intensa seja a luz; e (2) a energia cinética máxima dos elétrons ejetados depende da FREQUÊNCIA da luz, não da sua intensidade (aumentar a intensidade só aumenta o NÚMERO de elétrons ejetados, não a energia de cada um) — isso contraria a expectativa clássica do Momento 1. Einstein, em 1905, resolveu o problema estendendo a ideia de Planck: a luz em si é composta de pacotes de energia chamados fótons, cada um com energia E=h·f. Um elétron só é ejetado se absorver um único fóton com energia suficiente para vencer a função trabalho (φ) do metal (a energia mínima necessária para arrancar um elétron da superfície); a energia cinética máxima do elétron ejetado é o que sobra da energia do fóton após vencer φ: K_max=h·f-φ — isso resolve o obstáculo do Momento 2 e explica a pergunta do Momento 1: mesmo uma luz muito intensa, mas de frequência abaixo da frequência de corte (f₀=φ/h), não tem energia suficiente POR FÓTON para ejetar nenhum elétron, não importa quantos fótons (intensidade) incidam.

Resolução guiada: calcular coletivamente a energia cinética máxima dos elétrons ejetados de um metal com função trabalho φ=2,0 eV, por luz de frequência f=1,0×10¹⁵ Hz (convertendo h·f para eV: h·f=6,63×10^-34×1,0×10¹⁵/1,6×10^-19≈4,14 eV; K_max=4,14-2,0=2,14 eV). Em duplas: calcular a frequência de corte f₀ desse mesmo metal (f₀=φ/h=2,0×1,6×10^-19/6,63×10^-34≈4,83×10¹⁴ Hz) e verificar que a frequência do exercício anterior (1,0×10¹⁵ Hz) é maior que f₀, consistente com a ejeção de elétrons.

Aplicação individual (ou em duplas) da lista de exercícios de fixação (seção 8 deste plano).

Retomar a pergunta do Momento 1: não, aumentar a intensidade da luz sem mudar sua frequência NÃO aumenta a energia dos elétrons ejetados (só aumenta a quantidade deles) — a energia de cada elétron ejetado depende exclusivamente da frequência da luz (energia do fóton), como explica a equação fotoelétrica de Einstein.