O efeito fotoelétrico

Como já sabemos a luz é uma onda eletromagnética. Contudo, em 1887, Frank Hertz observou acidentalmente um efeito peculiar na natureza da luz. Considere o seguinte experimento: uma placa metálica é bombardeada por um feixe de luz, fazendo com que elétrons sejam ejetados de sua superfície. Esses elétrons são, então, capturados por uma placa positivamente carregada, produzindo uma corrente elétrica. A emissão de elétrons provocada pela ação da luz (nesse caso me refiro a todo espectro eletromagnético e não somente a luz visível) é chamado de efeito fotoelétrico. O que os cientistas esperavam observar? Quanto mais intenso o feixe de luz incidente, mais energéticos seriam os elétrons ejetados da placa de metal e, consequentemente, maior seria a corrente elétrica medida. Não era exatamente o que acontecia…

Independentemente da intensidade da luz que bombardeasse o metal (mesmo que muito intensa), caso ela estivesse abaixo de uma certa freqüência nenhuma corrente elétrica surgia. Percebeu-se que a corrente elétrica produzida no experimento dependia também da freqüência da luz incidente. Como explicar esse fenômeno a partir da teoria ondulatória da luz? O efeito fotoelétrico intrigou os cientistas por anos e somente foi solucionado em 1905 por ninguém menos que Albert Einstein.

Einstein tinha se formado em julho 1900 pelo departamento de física e matemática da Politécnica de Zurique. Ele não recebeu
nenhuma proposta de emprego após a formatura, tampouco teve sua proposta de doutorado aceita por qualquer universidade européia. Para se sustentar, trabalhou como professor particular até conseguir o emprego no Escritório de Patentes Suíço por intermédio do amigo Marcel Grossman no ano de 1902. Em março de 1905, Albert Einstein, um físico desconhecido, sem doutorado e que trabalhava como funcionário público suíço escreveria o artigo que lhe renderia mais tarde o prêmio Nobel de física. Nesse ano que ficou conhecido como o ano miraculoso, Eistein teve uma idéia nova e revolucionária que explica o efeito fotoelétrico, sendo, por isso, considerado um dos pais da mecânica quântica.

De acordo com Einstein, a luz é formada por pequenas partículas que possuem energia proporcional à freqüência: os fótons. Isso explica o motivo pelo qual a velocidade dos elétrons ejetados (i.e. a energia) independe da intensidade da fonte. Aumentar a intensidade da luz que incide na placa metálica, significa aumentar o número de fótons por unidade de tempo, mas não suas energias. Se a energia do fóton (que depende da freqüência da luz) for menor que o trabalho necessário para extrair o elétron do metal, nenhuma corrente elétrica aparecerá, mesmo se muitos fótons atingirem o metal (luz intensa), pois nenhum deles terá energia suficiente para isto. No artigo publicado por Einstein, ele considera essa idéia apenas como hipótese para explicar as observações. Com o passar do tempo, contudo, Einstein defende que a radiação eletromagnética é literalmente composta por essas partículas. Mas a luz não era uma onda? E agora? Hoje considera-se que a luz tem propriedades tanto de onda como de partícula, a chamada dualidade onda-partícula.

Abaixo uma simulação do efeito fotoelétrico retirada do site da Universidade do Colorado.

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