Física Quântica e o Efeito Fotoelétrico

Palestra apresentada no XXXIII
Encontro de Físicos do Norte e
Nordeste, Natal, 9-13/11/2015

ou . . .

eletro-
magnetismo
mecânica
newtoniana
termo-
dinâmica
teoria
da
relatividade
teoria
quântica

teoria
da
relatividade
GeralEspecial ou
restrita
E=mc2
Contração
espacial e
dilatação
temporal
Curvatura
da luz num
campo
gravitacional
radioatividade

teoria
quântica
Quantização
da luz: fóton
Calor
específico de
sólidos
Emissão de luz
estimulada:
laser
Células
fotovoltaicas
Fotossíntese
Efeito
fotoelétrico

Por que destacar o
Efeito fotoelétrico

 Tema importante e presente em muitos livros-
textos, nem sempre com a devida precisão
conceitual e histórica.
 Tem sido usado em muitas tentativas de inserção de
física moderna e contemporânea no ensino médio.
 A teoria do gatilho de Lenard é pouco conhecida.
 A dificuldade para aceitação da teoria de Einstein,
por parte da comunidade científica.
 A controvérsia em torno do assunto é um belo
exemplo de história e epistemologia da física.

http://www.if.ufrgs.br/tex/fis142/fismod/mod00/

https://i.ytimg.com/vi/AcKuf26Fr4w/maxresdefault.jpg

1895:
Perseguindo um
raio luminoso,
com a velocidade
da luz
Einstein e seus
colegas na Escola
de Aarau, 1896.

http://www.pitt.edu/~jdnorton/Goodies/Chasing_the_light/

https://periodicos.ufsc.br/index.php/fisica/article/view/2175-7941.2012v29n1p52

KNOBEL, Marcelo; SCHULZ, Peter A. (orgs.). Einstein: muito além da
relatividade. São Paulo: Instituto Sangari, 2010.

http://www.nasa.gov/centers/glenn/technology/warp/possible_prt.htm

https://einstein.stanford.edu/Library/images/ep_cartoons-lg.jpg

Sciences et Avenir, Hors Serie, Jan/Fev 2015

Anotações da ETH

O Efeito fotoelétrico
antes de Einstein

Mostrou que o fenômeno
deveria ser devido
apenas à luz ultravioleta

http://www.fisica.ufpb.br/~romero/objetosaprendizagem/Rived/20EfeitoFotoeletrico/An
imacao/foto_mod7.swf

Mostrou que corpos
metálicos irradiados com luz
ultravioleta adquiriam carga
positiva

Sugerem que a luz ultravioleta
arranca partículas da superfície
do metal

Postula que o efeito fotoelétrico
consiste na emissão de raios
catódicos. Em 1897 ele
descobriria que os raios
catódicos são elétrons!

Lenard continua
investigando o
fenômeno, mas não
o decifra

http://www.jstor.org/stable/27757381?seq=1#page_scan_tab_co
ntents

1. Lenard trabalha com a hipótese de que os raios
catódicos eram ondas no éter. Em 1897 Thomson
descobre que eram elétrons.
2. 1893: raios catódicos (RC) passando por uma fina
folha metálica. Aqui começa a teoria do gatilho. Os RC
induzem a emissão de partículas carregadas na folha e
ionizam o ar fora do tubo. Ele estava errado, poderia
ter descoberto os raios-X!
3. 1902: a velocidade máxima dos elétrons independe da
intensidade da luz.

4. A fotocorrente depende da intensidade da radiação,
para determinada frequência. Ele não conseguiu
observar uma corrente tão baixa que não produzisse
fotocorrente.
5. A energia da luz não é transformada na energia do
elétron. A luz apenas estimula os átomos a emitirem
elétrons, através de um processo de ressonância.
Teoria do gatilho.
6. Um elétron só pode ser liberado se a frequência da luz
corresponde à frequência do elétron no átomo.

7. O efeito fotoelétrico depende unicamente das
propriedades do catodo.
8. Não fez qualquer estudo para correlacionar a
frequência da luz com a velocidade dos elétrons.

Somando, subtraíndo,
multiplicando e dividindo,
os trabalhos de Lenard
resultaram basicamente na
sua
teoria do gatilho

Einstein entra em
cenaAcademia Olímpia
Maurice Solovine
Conrad Habicht
Albert Einstein

Acabei de ler um maravilhoso
trabalho de Lenard sobre a geração
de raios catódicos pela luz
ultravioleta. Sob a influência desse
belo ensaio fiquei cheio de tanta
alegria e satisfação que era
absolutamente necessário dividir um
pouco dessa emoção com você.
Papirus, 1992, p.99.

Sobre um ponto de
vista heurístico
referente à produção
e transformação da
luz

Na propagação de um raio de luz emitido por uma
fonte pontual, a energia não é distribuída
continuamente no espaço. Ela consiste de quanta de
energia localizados em pontos do espaço, e que só
Quantização da luz
podem ser absorvidos ou gerados como
unidades completas
Princeton Univ. Press, 1998, p.177

Um espaço contendo um gás de moléculas e elétrons,
fechado por paredes idealmente refletoras. No interior,
existem elétrons presos, denominados ressonadores,
que emitem e absorvem ondas eletromagnéticas.
Trata-se de um corpo negro

1. Dificuldade da teoria da radiação de corpo negro.
2. Determinação do quanta elementar de Planck.
3. Entropia da radiação.
4. Limitação da entropia de radiação monocromática para
radiação de baixa densidade.
5. Dependência da entropia no volume de
gases e soluções diluídas.

6. Interpretação da expressão para a dependência
volumétrica da entropia de radiação monocromática,
conforme o princípio de Boltzmann.
7. A regra de Stokes
8. A geração de raios catódicos pela iluminação de corpos
sólidos.
9. Ionização de gases pela luz ultravioleta.

P = V
Rb/N = h
P = função trabalho = f
eV = hn - f

O Efeito fotoelétrico
depois de Einstein
7. Até 1911, a teoria do gatilho ainda era considerada
como uma das grandes verdades da física.
8. Em 1913, depois do trabalho de Bohr, a teoria do
gatilho foi desconsiderada.

Millikan tenta provar que
Einstein está errado.
Passa 10 anos medindo
a constante de Planck
através do efeito
fotoelétrico

Franklin, A. The European Physical Journal H, 38 (2013) 573-594

Mesmo assim, a ideia do
quantum de luz não foi
aceita por grande parte
da comunidade científica

Compton prova a
existência do fóton,
mas não cita
Einstein na sua
conferência Nobel

carlos.alberto@ufrgs.br

Física Quântica e o Efeito Fotoelétrico

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