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O efeito fotoelétrico é um fenômeno físico básico que não apenas tem uma variedade de aplicações práticas atuais, mas também inspirou um novo campo da ciência.
Um metal contém muitos elétrons móveis. Esses elétrons podem ser excitados quando fornecidos com energia. E, se a energia for alta o suficiente, os elétrons podem ser excitados para fora do metal.
Quando tal excitação é feita com luz, os elétrons ejetados são conhecidos como fotoelétrons, dando a esse efeito seu nome - o efeito fotoelétrico.
Aqui, demonstraremos o efeito fotoelétrico usando uma placa de metal de zinco carregada que é submetida à luz regular da lâmpada e à luz ultravioleta.
Antes de aprendermos como realizar o experimento e coletar dados, vamos discutir os parâmetros e princípios que regem esse efeito. Observou-se que, para que o efeito fotoelétrico aconteça, a frequência 'f' da luz deve exceder algum limite mínimo 'f0' (leia-se-f-zero).
Para entender por que isso é importante, vamos ampliar e dar uma olhada nesse processo no nível microscópico. Quando a luz incide sobre um metal, os fótons de luz individuais são absorvidos pelos elétrons do metal. Agora, para que esses elétrons sejam liberados do metal, eles precisam realizar algum trabalho.
Assim, a energia do fóton absorvido E deve ser maior do que essa 'função de trabalho' W do metal, onde a função de trabalho representa a energia mínima, ou energia limiar, necessária para liberar um elétron de um metal específico.
Agora, como a energia do fóton é diretamente proporcional à frequência da luz, a energia limite corresponde à frequência limite f0.
A relação entre energia e frequência é dada por esta equação, onde 'h' é a constante de Plank. A mesma equação também pode ser usada para calcular a frequência do limiar.
Por exemplo, a função de trabalho do zinco é de 4,3 elétrons-volts. Isso significa que a frequência limite para que o efeito fotoelétrico ocorra no zinco será de 10 ^ 15 Hertz, correspondendo a um comprimento de onda limite ?0 de 300 nanômetros. Um comprimento de onda tão curto corresponde à luz UV
Tendo revisado os princípios por trás do efeito fotoelétrico, vamos agora passar pelo protocolo passo a passo para demonstrar esse efeito por meio de um experimento simples.
Obtenha todos os instrumentos e materiais necessários para o experimento, a saber, um eletroscópio, uma placa de metal de zinco, um pedaço de lixa, uma fonte UV que tenha um componente de comprimento de onda abaixo de 300 nm, uma lâmpada comum que forneça luz visível, uma haste de acrílico, um pedaço de pele e um par de óculos de proteção UV.
Primeiro, usando a lixa, polir a superfície da placa de zinco. Isso remove o óxido de zinco da superfície do metal e facilita a transferência de elétrons. Coloque a placa de zinco na placa de metal do eletroscópio. Certifique-se de que a placa de zinco esteja em contato direto com o eletroscópio.
Em seguida, esfregue a haste com o pedaço de pêlo cinco a seis vezes, para que a haste fique carregada negativamente. Aproxime a haste da placa de zinco, certificando-se de não colocá-las em contato uma com a outra.
Usando a outra mão, toque brevemente na placa de zinco, para carregar positivamente a placa de zinco por indução. A agulha do eletroscópio deve desviar para indicar que a placa de metal e todas as peças do eletroscópio conectadas a ela estão carregadas.
Em seguida, acenda a lâmpada visível e aproxime-a do eletroscópio e acenda sua luz na placa de zinco. Observe a resposta do eletroscópio.
Agora, desligue a lâmpada normal e coloque os óculos de proteção UV. Remova a placa de vidro e ligue a lâmpada para obter uma fonte de luz UV e aproximá-la do eletroscópio. Ilumine a luz UV no zinco metálico. Observe a resposta do eletroscópio. Em seguida, desligue a luz UV.
Agora, esfregue a haste novamente com o pelo cinco a seis vezes, para fazer com que a haste fique carregada negativamente. Coloque a haste em contato direto com a placa de zinco.
Isso resultará em uma deflexão da agulha do eletroscópio devido à transferência de algumas cargas negativas para a placa de zinco. Guarde a haste e certifique-se de não tocar na placa de zinco com a mão ou qualquer outro objeto.
Em seguida, acenda a lâmpada visível e aproxime-a do eletroscópio e acenda sua luz na placa de zinco. Observe a resposta do eletroscópio.
Coloque os óculos de proteção UV. Remova a placa de vidro e acenda a luz UV e aproxime-a do eletroscópio. Ilumine a luz UV no zinco metálico. Observe a resposta do eletroscópio. Em seguida, desligue a luz UV.
Vamos agora revisar e interpretar os resultados desses experimentos.
Na primeira metade do experimento, onde a haste carregada e a placa de zinco não estão em contato direto uma com a outra, a agulha permanece desviada tanto para a lâmpada regular quanto para a iluminação da luz UV, indicando que a placa de zinco permanece carregada.
Isso ocorre porque a placa de zinco, que já perdeu alguns elétrons para se tornar carregada positivamente, perde ainda mais alguns fotoelétrons quando a luz ultravioleta incide sobre ela. Isso só torna a placa de zinco um pouco mais carregada positivamente, desviando um pouco mais a agulha do eletroscópio.
Por outro lado, quando a haste carregada e a placa de zinco entram em contato uma com a outra, observamos que o uso da luz da lâmpada comum não tem efeito sobre o eletroscópio. No entanto, o uso da lâmpada UV resulta no colapso da agulha do eletroscópio e no retorno à posição descarregada sem deflexão
Isso ocorre porque apenas os fótons de luz UV têm energia suficiente que está acima da função de trabalho do zinco, para ejetar fotoelétrons. Isso descarrega a placa de zinco que foi carregada negativamente anteriormente.
Como no caso anterior, a luz visível não tem energia suficiente para excitar os fotoelétrons, devido aos quais a placa de zinco não descarrega.
A fotoeletrônica tem sido estudada há muitas décadas e levou ao desenvolvimento de novos campos de estudo e múltiplas aplicações.
O efeito fotoelétrico tem sido usado para fazer vários dispositivos optoeletrônicos que têm aplicações práticas variadas. Um exemplo de dispositivo optoeletrônico é o interruptor elétrico fotossensível.
Aqui, o bloqueio ou desbloqueio de um feixe de luz que brilha sobre um metal desliga ou liga uma corrente elétrica devido à ausência ou presença de fotoelétrons.
Dispositivos de visão noturna ou NVDs também usam os princípios do efeito fotoelétrico para permitir que as imagens sejam produzidas em níveis de luz próximos à escuridão total. Resumidamente, os fótons que atingem uma fina película de metal alcalino ou material semicondutor dentro do dispositivo causam a ejeção de fotoelétrons devido ao efeito fotoelétrico.
Esses elétrons são acelerados por um campo eletrostático e multiplicados por emissões secundárias para intensificar o sinal original. Os elétrons multiplicados são então feitos para atingir uma tela revestida de fósforo, convertendo os elétrons de volta em fótons, formando assim uma imagem.
Você acabou de assistir à introdução de JoVE ao efeito fotoelétrico. Agora você deve entender os conceitos básicos do efeito fotoelétrico e também entender por que os metais carregados podem ser descarregados apenas usando luz de uma frequência específica. Além disso, este vídeo demonstrou um experimento simples para visualizar o efeito fotoelétrico usando uma placa de metal de zinco carregada exposta à luz visível e à luz UV. Obrigado por assistir!
