A Luz é uma Partícula ? Você saberia dizer o que significa elétron e Fóton ? Como ocorre o efeito fotoelétrico?
 
As teorias de Bohr e de Sommerfeld tratam o elétron como uma energia quântica. Já pela teoria de De Broglie foi atribuído um caráter ondulatório. Neste momento o elétron passou a ter
caráter duplo de partícula e onda. Em nossos estudo vamos abordar caráter de partícula, visando um melhor entendimento sobre elétron e fóton. Sabemos que os experimentos clássicos ajudaram a descobrir a carga dos elétrons comprovando a quantização da carga elétrica e que os elétrons são partículas. Sabemos que com os avanços tecnológico os cientistas descobriram as partículas fundamentais do átomo.
O elétron foi descoberto pelo cientista Joseph John Thomson em 1897, em sua experiência mostrou que raios catódicos podiam ser desviados (figura abaixo) pelos campos elétricos e magnéticos, com isso ele observou que as partículas eram eletricamente carregadas. Com isso, Thomson mediu os desvios das partículas e demonstrou que todas as partículas possuíam a mesma carga/massa (q/m). Dessa maneira, as partículas foram denominadas de elétrons.
 
experimento-de-thomson
Thomson usou seu aparato para determinar a razão m/q de vários íons favorecendo o desenvolvimento do espectrômetro de massa.
Espectroêmtro de Massa
Espectroêmtro de Massa

Com o passar dos anos Thomoson foi premiado com vários prêmios, sendo um deles o Prêmio Nobel de Física de 1906, “em reconhecimento de suas investigações teóricas e experimentais sobre a condução de eletricidade em gases”.

Thomson em seu laboratório.
Thomson em seu laboratório.

Matéria e Partícula

A matéria é formada de pequenas partícula, sendo essas denominadas de átomos. Sabemos que o átomo é formado por partículas menores : os prótons, os elétrons e os nêutrons. Podemos observar na figura ao lado que os prótons ( bolinhas azuis ) e nêutrons ( bolinhas verdes) se localizam no núcleo. Dessa maneira, os elétrons giram em torno do núcleo na região chamada de eletrosfera.

Representação dos átomo na eletrosfera
Representação dos átomo na eletrosfera

De acordo com (Atkins, 2001) o átomo possui:

Párticulas Massa Carga Elétrica
Elétron

9,10 x 10-31

-1,6 x 10-19

Nêutron 1,6749 x 10-27 0
Próton 1,6726 x 10-27 +1,6 x 10-19

A radiação do corpo Negro:

No século XIX, os físicos estavam tentando obter, através das leis do eletromagnetismo, uma equação que envolvesse I( intensidade), f (frequência) e a temperatura que se adaptasse aos resultados experimentais. O problema era conhecido “ problema do corpo negro ”, este era o nome dado ao corpo que emitisse e absorvesse as radiações. Sabemos que vários físicos tentaram resolver este problema, não tiveram sucesso. Mas em 1900 , o cientista alemão Max Planck propôs uma hipótese que era a seguinte: a radiação emitida pelo corpo não ocorria de maneira contínua, mas sim na forma de pequenos pacotes. Sendo assim, a energia (E) de cada pacote seria proporcional á frequência (f) da radiação isto é: E=h f.
 

Efeito Fotoelétrico:

A partir de 1905, Einstein analisou o problema do corpo negro e mostrou que a análise ficava mais coerente quando se admitia que, mesmo depois de abandonar o corpo, a radiação se comportava como se fosse composta de pacotes. Com isso Einstein denominou o pacote de quantum, que mais tarde, cada quantum foi chamado de fóton. Com isso Einstein usou a teoria quântica da radiação, para explicar o efeito fotoelétrico, cujo efeito deixava os físicos intrigados. Se observamos a figura abaixo, uma onda eletromagnética incidente atingem um corpo (metal), observamos que elétrons são arrancados desse corpo. Essa emissão de elétrons é chamada de efeito foto elétrico.
Efeito Foto Elétrico
 
 
Outra maneira de observarmos o efeito fotoelétrico é através da fotocélula. Podemos observar o efeito foto elétrico na figura abaixo no qual temos duas placas metálicas X e Y que são colocadas no interior de uma ampola de vidro com vácuo. Dessa maneira, a radiação do feixe de luz é incidido na placa Y. Com isso se houver emissão de elétrons, eles serão atraídos pela placa positiva (X), com isso será estabelecido uma corrente elétrica no circuito.
 
Esquema Efeito Fotoelétrico
Esquema Efeito Fotoelétrico

Aplicações do Efeito Fotoelétrico

Células fotoelétricas têm a capacidade de transformar energia luminosa, seja ela proveniente do Sol ou de qualquer outra fonte, em energia elétrica. Um exemplo do nosso cotidiano de células fotoelétricas são aplicadas tanto em painéis solares como monitores de plasma.
 

Células fotoelétricas
Células fotoelétricas
TV de Plasma
TV de Plasma

 

Fótons

Segundo (Tipler, 2006) os fótons apresentam uma natureza dialística: onda e particula. Como exemplos temos que os fótons apresentam a natureza de partículas no efeito Fotoelerico e natureza ondulatória temos a Interferência de Young.

Sabemos quem introduziu o conceito de fóton foi Albert Einstein em 1905. Após a descoberta foi estabelecido que fóton é o resultado da quantização do campo eletromagnético e possui as propriedades mostradas ao lado.

Energia do fóton é dada pela equação:

E = n.h.f

Onde

  • E = Energia
  • n = Quantida de Fótons
  • f = Frequência
  • h = Constante de 6,63 x 10-34 j.s (Constante de Planck)

Ilustração de como o átomo emite luz.
Ilustração de como o átomo emite luz.

No instante (1) na figura ao lado ocorre uma colisão com uma partícula em movimento, excitando o átomo.

No instante (2) após a colisão o elétron passa para um nível mais alto de energia.

No instante (3) o elétron retorna ao seu nível energético inicial, liberando energia excedente na forma de um fóton.

Podemos analisar também a quantidade de movimento do fóton. O fóton não existe em repouso, sendo assim não tem massa de repouso e não tem carga. Dessa maneira, a quantidade de movimento de uma partícula de massa m e velocidade v tem módulo dado por:

Q = h.f/c ou Q = E/c

Onde Q é a quantidade de movimento e c a velocidade da luz.