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Fótons – A natureza corpuscular da radiação O Efeito Fotoelétrico.

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1 Fótons – A natureza corpuscular da radiação O Efeito Fotoelétrico

2 Primeiras observações H. Hertz ( ) Descarga entre eletrodos de seu equipamento ocorriam com mais facilidade quando se incidia luz ultravioleta sobre o catodo. P. Lenard (1902) Reporta sua investigação mais detalhada do fenômeno e conclui que a luz ultravioleta facilita a descarga porque causa a emissão de elétrons da superfície do catodo. A ejeção de elétrons de uma superfície metálica devido à incidência de luz é o que chamamos de efeito fotoelétrico.

3 Diagrama da montagem experimental Luz monocromática e de intensidades variadas incide no catodo C. Fotoelétrons são ejetados de C e acelerados por um potencial V em direção ao anodo A. A fotocorrente produzida pelos fotoelétrons em A é medida no Mesmo quando V é invertido a fotocorrente não cai de imediato a zero. e - c/energia cinética K. Existe entretanto um V 0 mínimo que anula a fotocorrente, independente da intensidade da luz incidente

4 Resultados de P. Lenard Foto-corrente X Intensidade luz I Photo satura p/altos valores V acel. I sat proporcional Intensidade da luz. V ret só anula I Photo p/valor V 0 específico: potencial bloqueador. V 0 é independente da Intensidade !! Potencial V 0 X Energia dos elétrons V 0 é uma medida da K máx dos e -. e.V 0 = K máx (independente da Intensidade luz ) Potencial V 0 X Luz monocromática V 0 é função linear de ( = c/ ) Frequência de corte 0 abaixo da qual não ocorre E.F. !!

5 Teoria ondulatória da luz Os elétrons da superfície metálica absorvem energia do campo E oscilante e são ejetados. Inconsistência com os resultados Elétrons acelerados por campos mais intensos adquirem maior energia cinética. Fato que não é observado. A ocorrência do efeito deveria ocorrer independentemente da frequência. Bastaria que a onda tivesse intensidade suficiente. Lapsos de tempo significativos, entre a incidência de luz de baixa intensidade e a ejeção do foto-elétron, deveriam ser observados. A frequência de corte 0 depende do metal do catodo.

6 Teoria de Einstein – Efeito fotoelétrico Uma nova teoria para a propagação da luz (1905). Hipótese dos quanta de luz – fótons Pulsos discretos de energia: E f = h. deslocando-se c/vel. luz Mecanismo de colisão de partículas. Conservação de energia: K e = E f - w (w trabalho necessário para vencer as forças atrativas do metal e perdas cinéticas) K máx = h. - w 0

7 O Efeito Fotoelétrico explicado Relação linear para V 0 x e.V 0 = h. - w 0 Método independente de medida da constante de Plank (h) e da função trabalho (w 0 ) característica do metal. A K máx não depende da intensidade da luz, mas sim da sua frequência! Os fótons precisam de uma energia mínima E 0 = h. 0 para poder ejetar os elétrons: h. 0 = w 0 O lapso de tempo não existe já que basta haver fótons com energia suficiente para ejetar elétrons instantaneamente! Einstein em seu escritório, Berlim nobelprize.org

8 Resultados de Millikan (1916) Millikan não aceitava a hipótese dos quanta e tentou por muitos anos provar experimentalmente que Einstein estava errado. Por fim, relutantemente, reconhece a validade da teoria em seu trabalho 1. 1 Physical Review,, vol VII, p. 362 (1916) Three Nobel Laureates in Physics standing in front of the Athenaeum at California Institute of Technology (Caltech), Front row from left: Albert A. Michelson, Albert Einstein and Robert A. Millikan.

9 Efeito fotoelétrico - simulação Obtido em: PhET Interactive Simmulations Simulação

10 Fótons e a produção de Raios-X Radiação contínua - Bremsstrahlung

11 Produção de Raios-X Tubo de Raios-X Elétrons produzidos no catodo (C) são acelerados em direção ao anodo metálico (A) por um potencial (U A ) da ordem de 10 KV. Colisões sucessivas com átomos do anodo (A) desaceleram os elétrons, resultando emissão de um espectro contínuo de radiação: Bremsstrahlung. Raios-X 1,0 Å (1 Å = m) O espectro contínuo Para determinada energia dos elétrons : E 0 = e.U A (KeV) existe um min abaixo do qual cessa a emissão de radiação. min só depende do valor de U A.

12 Raios-X – fótons de alta energia Interpretação corpuscular O e - ao se aproximar do átomo, sofre desaceleração devido a interação coulombiana. Sua energia E 1, antes da interação, é reduzida para E 2. A diferença: E= (E 1 – E 2 ) Dá origem a um fóton: E = h = E O processo coletivo No processo, cada elétron do feixe perde quantidades diferentes de energia ( E i ) em sucessivas colisões até parar. Isto dá origem a fótons de diferentes comprimentos de onda ( i ), distribuidos continuamente: i = hc/ E i i = hc/ E i Comprimento min Se numa única colisão o e - perde abruptamente toda a energia inicial: E máx = E 0 – 0 = e.U A min = hc/e.U A (só depende de U A ).


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