Versão Online ISBN Cadernos PDE VOLUME II. O PROFESSOR PDE E OS DESAFIOS DA ESCOLA PÚBLICA PARANAENSE Produção Didático-Pedagógica

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1 Versão Online ISBN Cadernos PDE VOLUME II O PROFESSOR PDE E OS DESAFIOS DA ESCOLA PÚBLICA PARANAENSE Produção Didático-Pedagógica 2008

2 EFEITO FOTOELÉTRICO FÍSICA MODERNA COMPORTAMENTO CORPUSCULAR DA LUZ

3 Desde que Hertz produziu e detectou as primeiras ondas eletromagnéticas geradas pelo homem, nosso mundo passou a ser povoado por ondas ou radiações eletromagnéticas de toda espécie, ou seja de todas as freqüências e a luz visível, como podemos ver na figura 2, ocupa uma faixa muito pequena. Em 1801 com demonstração de Young do comportamento ondulatório da luz, não se deve mais dúvida de que a luz era uma onda. Só que certos experimentos realizados na mesma época, não tinham resposta segundo a teoria ondulatória da luz e que a luz deveria apresentar outro comportamento em certas circunstâncias.

4 Os fenômenos, da difração e da interferência, eram facilmente explicados pela teoria ondulatória, mas o efeito fotoelétrico e o efeito Compton não tinham explicação baseados só na teoria ondulatória. Hoje sabemos, que esses dois efeitos, fotoelétrico e Compton, comprovam a existência corpuscular da luz, ou seja, a proposta de Einstein de que a luz é formada por pacotes de luz ou quanta de luz, que denominamos de fótons.

5 Antes de começar a explicar, o efeito, fotoelétrico da luz, vamos fazer uma pequena introdução à física moderna. Na física clássica, as coisas são bem determinadas e não existe dúvida quanto ao estado de um objeto ou quanto as suas dimensões deste objeto. Quando se fala em física moderna, não temos mais certeza do comportamento de um objeto que quando se fala classicamente é bem definido. Na física moderna, a luz, pode ser onda e corpúsculo ao mesmo tempo e isso levou tempo para ser aceito no meio científico e gerou muita discussão.

6 Segundo Einstein, que adotou a idéia de Planck sobre a quantização da energia, a energia (E) é proporcional à freqüência (f) da radiação: E = h.f, sendo h uma constante universal conhecida como constante de Planck e cujo valor é : h = 6,626 x J.s. Como o h é uma constante, logo para obter uma energia maior, se terá que ter uma freqüência maior.

7 EFEITO FOTOELÉTRICO. O efeito fotoelétrico foi descoberto por Herzt, em 1887, e estudado por Lenard em O texto abaixo foi retirado do site:

8 Por volta de 1887, Heinrich Hertz, descobriu que a faísca elétrica entre dois condutores surgia facilmente, quando um deles era exposto à radiação ultravioleta ou à luz da faixa próxima ao violeta. A análise posterior desse fenômeno mostrou que a energia das ondas eletromagnéticas, era absorvida pelos elétrons do metal e que essa energia fazia com que alguns elétrons fossem expelidos dele. Os elétrons expelidos apressavam a ionização do ar, o que facilitava o surgimento da faísca. Esse efeito ficou conhecido como efeito fotoelétrico, pois era a incidência de luz que fazia os elétrons saírem do metal. Einstein percebeu que esse efeito poderia, ser explicado se a hipótese de Planck, dos quanta de luz, feita para as moléculas, fosse estendida também à própria onda eletromagnética. Assim, a quantização da energia, que fora lançada por Planck como um recurso teórico para explicar a irradiação térmica, ganhou um significado muito mais geral. Hoje, considera-se que toda energia é quantizada, isto é, existe na forma de pacotes, ao contrário do que supunha a Física clássica, segundo a qual a energia poderia apresentar variação contínua.

9 A figura abaixo, extraída da página do prof. Alberto Ricardo Präss, do site nos dá uma idéia de como podemos verificar o efeito fotoelétrico na prática. Faz-se incidir luz sobre a superfície metálica do catodo e dependendo da freqüência desta luz se obtém uma corrente no circuito que é metida pelo amperímetro que tenha uma sensibilidade grande para pequenas correntes elétricas.

10 Figura 10 Efeito fotoelétrico

11 O esquema da figura 10 apresenta um dispositivo experimental com placas de diferentes metais polidos e, colocados no interior de uma ampola de vácuo. A luz incide numa da placas liberando elétrons que são atraídos pela placa em frente, ligada ao terminal positivo da bateria. O movimento de elétrons é detectado pela passagem de uma corrente elétrica registrada pelo amperímeto.

12 A realização a nível de laboratório, exige um aparelho sofisticado e caro, pois a luz incidente precisa ser ultravioleta e as placas metálicas estarem numa ampola de vácuo. Para poder estudar esse efeito, recorremos aos simuladores virtuais, ou applets que existem na rede. O applet que proponho para estudar o efeito fotoelétrico, se encontra no seguinte endereço e é de fácil operação. toeletrico/fotoeletrico.htm

13 Figura 11 Applet para o efeito fotoelétrico

14 Após ter entrado no site onde o applet se encontra, estamos propondo as seguintes atividades referentes ao efeito fotoelétrico. Na parte superior esquerda do applet, tem o ícone start (começar) e que também apresenta a função stop (parar) quando a fonte está emitindo luz. Na parte superior direita do applet, tem o ícone, onde você pode escolher o metal sobre o qual se deseja emitir a luz. Na parte central superior, existe o ícone wavelength (comprimento de onda), onde se pode escolher o comprimento de onda que se deseja. Sem se preocupar em analisar alguma coisa específica, clique no ícone start e comece a observar o que acontece. Vá variando o comprimento de onda e observe. Em que condições o amperímetro assinala passagem de corrente.

15 ATIVIDADE nº 2 Após estar familiarizado com o applet, sugerimos que faça o que se pede abaixo completando a tabela, com sim quando elétrons são arrancados do metal e não quando nenhum elétron é arrancado do metal. Selecione o metal e o comprimento de onda proposto. Tabela I relação do material com comprimento de onda Metal alumínio cobre chumbo sódio zinco lítio ferro platina λ (600nm) λ (400nm) λ (300nm) λ (200nm) λ (100nm) Com base na tabela I acima, o que você pôde concluir, quanto ao início do efeito fotoelétrico para os diferentes materiais? A variação do comprimento de onda implica alguma coisa na freqüência? Se lembre da relação: E = h f e associe o comprimento de onda com a freqüência mostrada na figura 2.

16 Um fóton ao penetrar numa superfície metálica, atinge um elétron e transfere a esse elétron toda a sua energia. Esse elétron, para abandonar o metal, deve realizar determinado trabalho cujo valor é uma constante característica de cada material, denominada função trabalho que vamos representar pela letra grega fi (φ). Compare a sua tabela com a tabela abaixo para os valores da função trabalho de alguns metais: Tabela II função trabalho de alguns metais [1] metal função trabalho (ev) sódio 2,28 alumínio 4,08 chumbo 4,14 zinco 4,31 ferro 4,50 cobre 4,70 prata 4,73 (1)Sódium (sódio), copper (cobre),lead (chumbo), iron (ferro), zinc (zinco), silver (prata) [2) GASPAR, Alberto; Física Eletromagnetismo e Físca Moderna. 1ª Edição. Editora Ática. São Paulo,2000.

17 Qual a energia mínima que o elétron deve receber para poder escapar do metal? O elétron pode receber mais energia do que a função trabalho dele para abandonar o metal. Nesse caso vale a relação: E C = hf - φ que é a expressão usada para determinar a energia cinética do elétron no efeito fotoelétrico. Caso a energia que o elétron receba seja menor que sua função trabalho, ele não abandona o metal.

18 ATIVIDADE nº 3 No applet abaixo do ícone start, você o ícone Low intensity (intensidade baixa) e também High intensity (intensidade alta). Ao clicar nesse ícone, você estará variando a intensidade de luz emitida pela fonte. Complete as tabela abaixo para baixa e alta intensidade de luz e observe se o efeito fotoelétrico acontece para um comprimento de onda maior. Complete com sim ou não para cada comprimento de onda proposto.

19 Tabela 3 Fonte com baixa intensidade metal alumínio cobre platina sódio λ (600nm) λ (400nm) λ (300nm) λ (200nm) λ (100nm) Tabela 4 Fonte com alta intensidade metal alumínio cobre platina sódio λ (600nm) λ (400nm) λ (300nm) λ (200nm) λ (100nm)

20 1) O que você observou em relação ao inicio do efeito fotoelétrico? Houve alteração na variação da intensidade da luz emitida? 2) Qual a condição básica para acontecer o efeito fotoelétrico? 3) Com a luz de uma lâmpada comum, poderíamos obter o efeito fotoelétrico?

21 O efeito fotoelétrico e explicado através da física quântica, ou seja, admitindo que a luz é um fóton que atinge o elétron e transfere a ele, instantaneamente toda a sua energia. Se fossemos usar a física clássica para explicar esse fenômeno, o tempo necessário para transferir essa energia seria muito grande e o fenômeno, não aconteceria instantaneamente. Se a física ondulatória fosse suficiente para explicar tal fenômeno, ao se aumentar a intensidade da luz, deveria setransferirmaisenergiae,afreqüênciadafontedeluz para que o efeito fotoelétrico possa acontecer, deveria se alterar.

22 O efeito fotoelétrico não se restringe apenas para demonstrar que a luz apresenta comportamento corpuscular. Existem aplicações tecnológicas como visores noturno e sensores de portas que se abrem automaticamente.

23 A idéia de apresentar tópicos de física moderna no ensino médio é fantástica, mas exige um desempenho grande do professor, para conseguir levar isso ao aluno do ensino médio de uma maneira que não venha representar uma objeção ou um empecilho, para uma aprendizagem mais aprofundada no futuro. É importante que o aluno entre em contato com a física moderna e nesse primeiro contato, os applets podem ser muito valiosos, pois permitem uma interação e uma visualização dos fenômenos.

24 Tenho a visão de devemos introduzir a física moderna no ensino médio aos poucos e mesmo que não se consiga atingir o que talvez se queira, sempre vai valer o esforço e este primeiro contato do aluno com a física moderna. Como professores devemos estar bem preparados, pois ensinar uma coisa de forma errônea, pode ser um empecilho para aprender esse conteúdo futuramente de maneira correta ou aceita pela sociedade científica.