Explicação
A primeira vista o Efeito Fotoelétrico tem uma explicação simples. A onda eletromagnética transfere energia ao elétron. Uma parte dessa energia é utilizada para realizar o trabalho (W) de extração do elétron; o restante transforma-se em energia cinética (Ec) do elétron. No entanto, os resultados experimentais são intrigantes do ponto de vista da Física Clássica.
Ilustração do fóton incidente sobre o fotoelétron.
Em primeiro lugar há a questão da frequência. De acordo com a Física Clássica, esse efeito não deveria depender da frequência da onda incidente. No entanto, a experiência mostra que, para cada metal, o efeito só é obtido quando a frequência é maior ou igual a um valor chamado frequência de corte (fc). No caso dos metais alcalinos (sódio, potássio, etc.), essa frequência corresponde à luz visível. No entanto, para os outros metais, o valor do fc esta na região do ultravioleta.
Relação entre frequência, comprimento de onda e energia de cada tipo de onda.
Em segundo lugar há a questão do tempo. De acordo com a Física Clássica, em geral, o tempo necessário para que um elétron adquira a energia necessária para escapar de um corpo é da ordem de horas, dias ou mesmo meses. No entanto, o que se observa é que, desde que exista o Efeito Fotoelétrico, entre o momento em que a radiação atinge o metal e o momento em que o elétron escapa, o tempo é extremamente curto (3 . 10ˉ⁹ s), ou seja, a emissão é praticamente imediata.
Há ainda a questão da intensidade da radiação. Quando a frequência esta acima do fc, o efeito sempre ocorre, mesmo que a intensidade da radiação seja muito pequena. A intensidade influi no numero de elétrons arrancados e assim influi na corrente (i). No entanto, a intensidade da radiação não influi na energia adquirida por cada elétron.
A explicação dada por Einstein é que a radiação é formada por quanta (fótons). Cada elétron absorve apenas um fóton. Se a energia desse fóton for menor do que a necessária para extrair o elétron, este não será emitido, por mais tempo que a radiação fique incidindo sobre o corpo.
Sendo E a energia do fóton, Ec a energia cinética adquirida pelo elétron e W₀ trabalho realizado para arrancar o elétron, temos:
E=Ec+W (I)
A energia do fóton é dada por:
E = h.f
Em que E é a energia, f frequência da radiação e h uma constante denominada constante de Plank, cujo valor é h= 6,63.10ˉ³⁴ J.s
No Efeito Fotoelétrico a velocidade adquirida pelo elétron é muito menor do que a da luz, assim, a energia cinética pode ser calculada pela formula clássica:
Ec = ½m.v²
Portanto a equação (I) fica:
h.f = ½m.v² + W
O trabalho W realizado para arrancar o elétron vai depender da profundidade onde esta o elétron dentro do material, os que estão mais próximos da superfície são mais fáceis de arrancar do que aqueles que estão em lugares mais profundos. Quanto maior o trabalho necessário para arrancar o elétron, menor será sua energia cinética. O trabalho mínimo necessário para arrancar um elétron é chamado de função trabalho e será representado por W₀. Nesse caso, a energia cinética adquire o seu valor máximo Ecmáx:
h.f = Ecmáx + W₀ (II)
Se a frequência for a de corte, teremos a energia cinética nula, e da equação (II) tiramos:
h.fc = W₀ (III)
Da equação (III) tiramos:
Ecmáx =h.f - W₀ (IV)
No estudo do Efeito Fotoelétrico, os físicos usam frequentemente a unidade de energia elétron-volt (eV)
1 eV = 1,6 . 10ˉ¹⁹ J
Dispositivo para observar o efeito.
