O efeito fotoelétrico se refere ao que acontece quando elétrons são emitidos a partir de um material que absorveu radiação eletromagnética. O físico Albert Einstein foi o primeiro a descrever completamente o efeito e recebeu o Prêmio Nobel por seu trabalho.
Qual é o efeito fotoelétrico?
A luz com energia acima de um certo ponto pode ser usada para soltar os elétrons, libertando-os de uma superfície metálica sólida, de acordo com a Scientific American. Cada partícula de luz, chamada fóton, colide com um elétron e usa parte de sua energia para desalojar o elétron. O restante da energia do fóton é transferido para a carga negativa livre, chamada fotoelétron.
Compreender como isso funciona revolucionou a física moderna. As aplicações do efeito fotoelétrico nos trouxeram abridores de porta com "olho elétrico", medidores de luz usados em fotografia, painéis solares e cópia fotostática.
Descoberta
Antes de Einstein, o efeito havia sido observado pelos cientistas, mas eles estavam confusos com o comportamento porque não entendiam completamente a natureza da luz. No final de 1800, os físicos James Clerk Maxwell, na Escócia, e Hendrik Lorentz, na Holanda, determinaram que a luz parece se comportar como uma onda. Isso foi comprovado ao ver como as ondas de luz demonstram interferência, difração e dispersão, comuns a todos os tipos de ondas (incluindo ondas na água).
Assim, o argumento de Einstein em 1905 de que a luz também pode se comportar como conjuntos de partículas foi revolucionário porque não se encaixava na teoria clássica da radiação eletromagnética. Outros cientistas haviam postulado a teoria antes dele, mas Einstein foi o primeiro a explicar completamente por que o fenômeno ocorreu - e as implicações.
Por exemplo, Heinrich Hertz, da Alemanha, foi a primeira pessoa a ver o efeito fotoelétrico, em 1887. Ele descobriu que, se lançasse luz ultravioleta em eletrodos de metal, baixaria a tensão necessária para fazer uma faísca se mover atrás dos eletrodos, de acordo com o astrônomo inglês. David Darling.
Então, em 1899, na Inglaterra, J.J. Thompson demonstrou que a luz ultravioleta que atingiu uma superfície de metal causou a ejeção de elétrons. Uma medida quantitativa do efeito fotoelétrico ocorreu em 1902, com o trabalho de Philipp Lenard (ex-assistente da Hertz). Ficou claro que a luz tinha propriedades elétricas, mas o que estava acontecendo não era claro.
Segundo Einstein, a luz é composta de pequenos pacotes, inicialmente chamados quanta e depois fótons. Como os quanta se comportam sob o efeito fotoelétrico pode ser entendido através de um experimento mental. Imagine um mármore circulando em um poço, que seria como um elétron ligado a um átomo. Quando um fóton entra, ele atinge o mármore (ou elétron), fornecendo energia suficiente para escapar do poço. Isso explica o comportamento das superfícies metálicas que atingem a luz.
Enquanto Einstein, então um jovem funcionário de patentes da Suíça, explicou o fenômeno em 1905, levou mais 16 anos para o Prêmio Nobel ser concedido por seu trabalho. Isso ocorreu depois que o físico americano Robert Millikan não apenas verificou o trabalho, mas também encontrou uma relação entre uma das constantes de Einstein e a constante de Planck. A última constante descreve como as partículas e as ondas se comportam no mundo atômico.
Outros estudos teóricos iniciais sobre o efeito fotoelétrico foram realizados por Arthur Compton em 1922 (que mostrou que os raios X também podiam ser tratados como fótons e ganhou o Prêmio Nobel em 1927), assim como Ralph Howard Fowler em 1931 (que examinou o relação entre temperaturas de metais e correntes fotoelétricas.)
Formulários
Embora a descrição do efeito fotoelétrico pareça altamente teórica, há muitas aplicações práticas de seu trabalho. Britannica descreve alguns:
As células fotoelétricas foram originalmente usadas para detectar luz, usando um tubo de vácuo contendo um cátodo, para emitir elétrons e um ânodo, para coletar a corrente resultante. Hoje, esses "fototubos" avançaram para fotodiodos baseados em semicondutores usados em aplicações como células solares e telecomunicações por fibra óptica.
Tubos fotomultiplicadores são uma variação do fototubo, mas eles têm várias placas de metal chamadas dínodos. Os elétrons são liberados após a luz atingir os cátodos. Os elétrons então caem no primeiro dínodo, que libera mais elétrons que caem no segundo dínodo, depois no terceiro, quarto e assim por diante. Cada dynode amplifica a corrente; após cerca de 10 dynodes, a corrente é forte o suficiente para que os fotomultiplicadores detectem até um único fóton. Exemplos disso são usados em espectroscopia (que separa a luz em diferentes comprimentos de onda para aprender mais sobre as composições químicas da estrela, por exemplo) e em tomografias computadorizadas axiais (CAT) que examinam o corpo.
Outras aplicações de fotodiodos e fotomultiplicadores incluem:
- tecnologia de imagem, incluindo tubos de câmera de televisão (mais antigos) ou intensificadores de imagem;
- estudando processos nucleares;
- analisar quimicamente materiais com base em seus elétrons emitidos;
- fornecendo informações teóricas sobre como os elétrons nos átomos fazem a transição entre diferentes estados de energia.
Mas talvez a aplicação mais importante do efeito fotoelétrico tenha sido desencadear a revolução quântica, segundo
Americano científico. Isso levou os físicos a pensar sobre a natureza da luz e a estrutura dos átomos de uma maneira totalmente nova.
