Todas as características do efeito fotoelétrico podem ser expli- cadas se considerarmos a radiação eletromagnética não como uma onda, mas como um conjunto de partículas (os fótons), cada qual com uma energia dada por:
E hn=
em que n é a freqüência da radiação eletromagnética e h, a cons- tante de Planck:
h = 6,6261 x 10-34 Js = 4,1357 x 10-15 eVs
Eventualmente, usamos a constante h (leia-se agá cortado) dada por:
h = h/2p = 1,0546 x 10-34 Js = 6,5822 x 10-16 eVs
Quando a radiação eletromagnética de freqüência n atinge a placa em questão, os fótons associados à radiação interagem com os elétrons da placa. Cada elétron que absorve um fóton ganha uma energia hn e, se for arrancado, a máxima energia cinética que ele pode ter, pelo princípio de conservação da energia, é dada por:
MAX
K =hn ϕ-
em que f, chamada função trabalho e característica da substância que constitui a placa, representa a energia necessária para arrancar um elétron da superfície da placa.
A primeira característica do efeito fotoelétrico é o fato de que o número de elétrons arrancados é diretamente proporcional à inten- sidade da radiação eletromagnética incidente na placa, para uma
dada freqüência (Fig.2). Isso pode ser explicado facilmente pela Te- oria Quântica. Como já foi dito acima, a intensidade (I) de uma onda qualquer é definida como a quantidade de energia que passa, por unidade de tempo, através de uma superfície de área unitária per- pendicular à direção de propagação da onda. Então, a intensidade da radiação eletromagnética de freqüência n deve ser dada por:
I N hn=
em que N representa o número de fótons que cruzam, por unidade de tempo, uma superfície de área unitária perpendicular à direção de propagação da radiação. Um aumento na intensidade da radiação ele- tromagnética implica um aumento no número de fótons. Isso promove um aumento no número de interações desses fótons com os elétrons da placa e, portanto, um aumento no número de elétrons arrancados.
A segunda característica do efeito fotoelétrico é o fato de que a diferença de potencial de corte tem o mesmo valor, independen- temente da intensidade da radiação eletromagnética incidente (Fig.3). Isso pode ser explicado pela Teoria Quântica se considerar- mos que a corrente fotoelétrica se interrompe quando a diferença de potencial de corte é tal que:
0 MAX e VD =K
Então:
0
e VD =hn ϕ-
Dessa expressão, concluímos que, para uma dada substância na placa (f dada) e uma dada freqüência da radiação incidente, a diferença de potencial de corte não depende da intensidade da radiação, isto é, não depende do número de fótons que incidem na placa por unidade de tempo e por unidade de área.
Por outro lado, quanto mais profundamente no interior da placa se encontra o elétron que vai ser arrancado, menor será a sua energia cinética ao sair dela. Isso por que a energia de cada fóton absorvido fica repartida entre o elétron arrancado e os outros elétrons e átomos que constituem a placa considerada. Assim, para uma dada diferença de potencial DV negativa entre as placas (ou seja, VA < VB), apenas os elétrons que são arrancados da placa B com energia cinética maior do que eDV chegam à placa A e contam para a corrente elétrica do circuito. Então, com a diminuição da diferença de potencial entre as placas, isto é, para DV cada vez mais negativa, menos elétrons alcan- çam a placa A e menor é a corrente elétrica no circuito.
A terceira característica do efeito fotoelétrico é o fato de que a energia dos elétrons arrancados depende da freqüência e não da intensidade da radiação eletromagnética incidente (Fig.4). Esta
característica pode ser explicada pela Teoria Quântica exatamente pela afirmação de que a radiação eletromagnética deve ser consi- derada como um conjunto de fótons, cada qual com uma energia E = hn, em que n é a freqüência da radiação eletromagnética.
Para radiações eletromagnéticas com dada freqüência, a máxima energia cinética que cada elétron arrancado pode ter corresponde à situação em que o elétron é arrancado da superfície da placa, de modo que toda a energia do fóton é absorvida por ele. Para uma dada substância, o valor mínimo n0 da freqüência da radiação eletromag- nética que produz o efeito fotoelétrico é dado por hn0 = f. Esse valor para n0 corresponde à situação em que o elétron, após ser arrancado da superfície da placa, fica com energia cinética nula. Daí:
0 h
ϕ n =
Nos metais, f vale, no mínimo, cerca de 2 eV. Assim, o efeito fotoelétrico nos metais só é possível com radiações eletromagnéti- cas de freqüências maiores que:
19 14 34 3,2 10 4,8 10 6,6 10 J Hz Js n ≈ × -- ≈ × ×
ou cujos comprimentos de onda sejam menores que:
8 7 14 3 10 / 6,2 10 4,8 10 c m s m Hz l n - × = ≈ ≈ × ×
Essa freqüência e esse comprimento de onda correspondem à radiação eletromagnética da parte visível do espectro, mais preci- samente, àquela radiação que, ao olho humano, parece alaranjada. A quarta característica do efeito fotoelétrico é o fato de que não existe retardo entre o instante em que a radiação eletromag- nética atinge a superfície da placa e o instante em que aparecem os elétrons arrancados, independentemente da freqüência e da intensidade da radiação. Isso pode ser explicado pela Teoria Quân- tica. O conceito de partícula está associado à transferência instan- tânea de energia de um ente físico a outro, numa colisão. Assim, considerando os fótons como partículas, a Teoria Quântica garante que existe uma transferência de energia instantânea aos elétrons, que também são considerados como partículas.
A teoria quântica da radiação eletromagnética explica muito bem as características do efeito fotoelétrico. A radiação eletromag- nética, que se propaga no espaço como uma onda, no efeito foto- elétrico, manifesta propriedades inerentes a partículas. Com igual clareza, as propriedades corpusculares (quânticas) da radiação ele- tromagnética se manifestam no efeito Compton.
Fig.6