Roteiro do Experimento Efeito Fotoelétrico Modelo Ondulatório da Luz versus Modelo Quântico da Luz

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1 EF Página 1 of 6 Universidade Estadual Paulista Julio de Mesquita Filho Departamento de Física Laboratório de Física Moderna Roteiro do Experimento Efeito Fotoelétrico Modelo Ondulatório da Luz versus Modelo Quântico da Luz INSTRUÇÕES GERAIS: 1. Confira se encontra-se sobre a bancada todo o material que você irá utilizar durante o experimento. 2. Neste e em outros equipamentos que fazem uso de elementos ópticos (lentes, espelhos, prismas, redes difração, etc.), tome cuidado para não colocar a mão diretamente sobre as superfícies ópticas. 3. Esteja sempre atento às limitações do equipamento. 4. Atente também as altas voltagens e lâmpadas incandescentes que podem causar ferimentos. 5. Leia atentamente e completamente cada item antes de começar a executar o que nele é pedido. 6. Ao terminar o experimento, verifique se todos os equipamentos estão desligados antes de abandonar a bancada. O GRUPO DEVE TRAZER PARA REALIZAR ESTE EXPERIMENTO: - Seu caderno de laboratório - 1 calculadora EQUIPAMENTO A SER UTILIZADO: 1 sistema completo h/e PASCO contendo: 1 fonte de luz de mercúrio; 1 lente conjugada com rede de difração e suporte; 1 conjunto fotoelétrico (fotodiodo); 1 multímetro digital; 1 filtro verde; 1 filtro amarelo; 1 filtro de transmissão variável; 1 cronômetro; cabos de ligação.

2 EF Página 2 of 6 MONTAGEM EXPERIMENTAL: 1. O aparato para a realização do experimento já se encontra montado como na Figura Conecte a lâmpada de mercúrio a uma tomada 110V sob a bancada e ligue-a pelo interruptor. Aguarde aproximadamente 5 minutos para que a lâmpada se aqueça e fique operacional. ATENÇÃO: Não olhe diretamente na lâmpada de mercúrio. Figura 1 Montagem experimental do aparato h/e 3. Você perceberá que a luz emitida pela lâmpada, após passar pelo conjunto lente/rede de difração estará dividida em 5 bandas (amarela, verde, azul, violeta e ultravioleta) como mostrado na Figura Pelas características da rede difração, o espectro se formará à direita e à esquerda da linha central, com intensidades diferentes. Escolha o lado mais brilhante e movendo o conjunto fotoelétrico, faça com que uma das linhas do espectro escolhido incida sobre a máscara refletora branca. 5. Ajuste a posição da lente/rede para que consiga uma imagem o mais nítida possível da linha sobre a máscara refletora. Figura 2 Espectro da luz de mercúrio 6. Escolha uma linha e ajuste a posição do conjunto para que ela incida sobre a abertura da mascara. Gire o tubo absorvedor como mostrado na Figura 3 de maneira a expor o fotodiodo interno e gire o conjunto fotoelétrico sobre o eixo do suporte para que a luz incida sobre a mascara branca do fotodiodo. Retorne o tubo absorvedor e fixe o conjunto ao suporte nesta posição. 7. Ajuste o multímetro na escala de 2VDC. 8. Ligue o conjunto fotoelétrico. ATENÇÃO: O conjunto fotoelétrico consome muita energia e descarrega rapidamente as baterias internas portanto, mantenha o conjunto ligado somente durante as medições. Figura 3 Conjunto Fotoelétrico

3 EF Página 3 of 6 PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL: Primeira Parte - Verificação do Comportamento Clássico da Luz. 1. Ajuste a posição do conjunto fotoelétrico para que somente uma cor espectral incida sobre a abertura da máscara refletora. Se você selecionar a linha verde ou a amarela, coloque o respectivo filtro colorido sobre a máscara refletora. 2. Coloque o filtro de transmissão variável em frente à máscara refletora (ou sobre o filtro) de modo que a luz passe somente pela seção marcada 100% e incida no fotodiodo. 3. Meça a voltagem indicada no voltímetro e anote o valor medido. 4. Aperte o botão de push to zero do conjunto fotoelétrico e meça o tempo necessário para que o valor indicado no voltímetro retorne ao valor inicial. Anote também este valor. 5. Mova o filtro de transmissão variável colocando a próxima seção sobre a abertura da mascara e repita os procedimentos 3 e Repita o procedimento 5 para todas as 5 seções do filtro. 7. Repita os procedimentos de 1 a 6 para outra cor do espectro. Não se esqueça do filtro se escolher a cor amarela ou verde. Segunda Parte - Verificação do Comportamento Quântico da Luz. 1. Ajuste o conjunto fotoelétrico para que somente a linha amarela incida sobre a fenda da máscara refletora. Coloque o filtro amarelo. 2. Aperte o botão push to zero. 3. Anote o valor da voltagem indicada no voltímetro após estabilizar a leitura. 4. Repita o procedimento para as outras quatro cores do espectro abrindo o tubo absorvedor e conferindo o alinhamento em cada medida. Não se esqueça do filtro para a cor verde. Terceira Parte - Cálculo da Constante h/e. 1. Utilizando os valores medidos na parte anterior faca um gráfico dos valores de V(V) versus freqüência (Hz). Estime o coeficiente angular da reta que une os pontos e estime o valor da constante de Planck assumindo o valor de x10-19 C para a carga do elétron.

4 EF Página 4 of 6 CONSIDERE EM SUAS ANÁLISES 1. O efeito que a passagem de diferentes quantidades da mesma luz colorida tem sobre o potencial estável medido e sobre a máxima energia dos fotoelétrons, assim como o tempo de retorno do potencial ao valor estável. 2. O efeito que diferentes cores tem sobre o potencial estável e sobre a energia máxima dos fotoelétrons. 3. A concordância dos experimentos realizados com os modelos clássico e quântico. 4. Analise os dados da terceira parte com a ajuda de um programa gráfico. 5. Analise a diferença percentual entre o valor calculado e o valor teórico para a constante de Planck. 6. Quanto trabalho foi realizado para ejetar o elétron do metal que constitui o fotodiodo. 7. Cite exemplos de produtos que fazem uso do efeito fotoelétrico. Funcionamento do fotodiodo: No fotodiodo o efeito fotoelétrico acontece no catodo (vermelho), em uma câmara de vácuo. Os fótons incidentes no catodo ejetam elétrons. A energia cinética de cada elétron emitido é a energia do fóton menos a função trabalho. Alguns elétrons atingem o anodo (preto) fazendo com que o anodo fique negativo em relação ao catodo. Quando o anodo fica suficientemente negativo novos fotoelétrons não têm energia suficiente para atingir o anodo e a ddp estabiliza-se, e é esta a ddp estável medida no experimento.

5 EF Página 5 of 6 FOLHA DE DADOS EXPERIMENTAIS PRIMEIRA PARTE Cor #1 (nome) % Transmissão Potencial estável Tempo aprox. de recarga Cor #2 (nome) % Transmissão Potencial estável Tempo aprox. de recarga SEGUNDA PARTE Cor de 1ª ordem Comprimento de onda (nm) Freqüência (THz) Ultravioleta Violeta Azul Verde Amarelo Potencial estável (V) Faça aqui sugestões de alterações no texto da apostila ou no procedimento experimental:

6 EF Página 6 of 6 QUESTÕES QUE DEVEM SER RESPONDIDAS NA APRESENTAÇÃO PRÉVIA 1) Explique o funcionamento do fotodiodo deste experimento e qual é a relação entre os valores a serem medidos (tensão estável e tempo de recarga) e os parâmetros do experimento. 2) Descreva sucintamente o procedimento experimental a ser adotado. 3) Qual seria o resultado esperado no experimento a ser realizado se o comportamento esperado fosse o clássico? 4) Qual seria o resultado esperado no experimento a ser realizado se o comportamento esperado fosse o quântico? 5) Como são os dados que devem ser obtidos? 6) Quais são as limitações do equipamento a ser usado? 7) Quais cuidados devem ser tomados na realização deste experimento?