Fótons – A natureza corpuscular da radiação O Efeito Fotoelétrico

Primeiras observações H. Hertz (1886-1887) 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.

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 galvanômetro/amperímetro @. Mesmo quando V é invertido a fotocorrente não cai de imediato a zero.  e- c/energia cinética K. Existe entretanto um V0 mínimo que anula a fotocorrente, independente da intensidade da luz incidente

Resultados de P. Lenard Foto-corrente X Intensidadeluz IPhoto satura p/altos valores Vacel. Isat proporcional Intensidade da luz. Vret só anula IPhoto p/valor V0 específico: potencial bloqueador. V0 é independente da Intensidade !! Potencial V0 X Energia dos elétrons V0 é uma medida da Kmáx dos e- . e.V0 = Kmáx (independente da Intensidadeluz) Potencial V0 X Luz monocromática V0 é função linear de  (= c/) Frequência de corte 0 abaixo da qual não ocorre E.F. !!

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.

Teoria de Einstein – Efeito fotoelétrico Uma nova teoria para a propagação da luz (1905). Hipótese dos quanta de luz – fótons Pulsos discretos de energia: Ef= h. → deslocando-se c/vel. luz Mecanismo de colisão de partículas. Conservação de energia: Ke = Ef - w (w trabalho necessário para vencer as forças atrativas do metal e perdas cinéticas) Kmáx= h. - w0

O Efeito Fotoelétrico explicado Relação linear para V0 x  e.V0 = h. - w0 Método independente de medida da constante de Plank (h) e da função trabalho (w0) característica do metal. A Kmáx não depende da intensidade da luz, mas sim da sua frequência! Os fótons precisam de uma energia mínima E0= h.0 para poder ejetar os elétrons: h.0 = w0 O lapso de tempo não existe já que basta haver fótons com energia suficiente para ejetar elétrons instantaneamente! Einstein em seu escritório, Berlim 1920. nobelprize.org

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 trabalho1. 1Physical Review,, vol VII, p. 362 (1916) Three Nobel Laureates in Physics standing in front of the Athenaeum at California Institute of Technology (Caltech), 1931. Front row from left: Albert A. Michelson, Albert Einstein and Robert A. Millikan.

Efeito fotoelétrico - simulação Obtido em: PhET Interactive Simmulations http://phet.colorado.edu/index.php Simulação

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

Produção de Raios-X Tubo de Raios-X O espectro contínuo Elétrons produzidos no catodo (C) são acelerados em direção ao anodo metálico (A) por um potencial (UA) 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 = 10-10 m) O espectro contínuo Para determinada energia dos elétrons : E0= e.UA (KeV) existe um min abaixo do qual cessa a emissão de radiação. min só depende do valor de UA.

Raios-X – fótons de alta energia Interpretação corpuscular O e- ao se aproximar do átomo, sofre desaceleração devido a interação coulombiana. Sua energia E1, antes da interação, é reduzida para E2 . A diferença: E= (E1 – E2) Dá origem a um fóton: E= h= E O processo coletivo No processo, cada elétron do feixe perde quantidades diferentes de energia (Ei) em sucessivas colisões até parar. Isto dá origem a fótons de diferentes comprimentos de onda (i), distribuidos continuamente: i= hc/Ei i= hc/Ei Comprimento min Se numa única colisão o e- perde abruptamente toda a energia inicial: Emáx= E0 – 0 = e.UA min= hc/e.UA (só depende de UA).