Efeito Fotoelétrico e a Natureza da Partícula de Luz
Em 1905, Albert Einstein (1879-1955) propôs que a luz fosse descrita como quanta de energia que se comporta como partículas. Um fóton é uma partícula de radiação eletromagnética que tem massa zero e carrega um quantum de energia. A energia dos fótons de luz é quantificada de acordo com a equação E = h \nu. Durante muitos anos a luz foi descrita usando apenas conceitos de ondas, e os cientistas treinados em física clássica acharam esta dualidade onda-partícula de luz uma ideia difícil de aceitar. Um conceito chave que foi explicado por Einstein usando a natureza da partícula de luz foi chamado de efeito fotoelétrico.
O efeito fotoelétrico é um fenômeno que ocorre quando a luz brilha sobre uma superfície metálica causa a ejeção de elétrons desse metal. Foi observado que apenas certas frequências de luz são capazes de causar a ejecção de electrões. Se a freqüência da luz incidente era muito baixa (luz vermelha, por exemplo), então nenhum elétron foi ejetado, mesmo que a intensidade da luz fosse muito alta ou que ela tenha brilhado sobre a superfície por um longo tempo. Se a freqüência da luz era maior (luz verde, por exemplo), então os elétrons eram capazes de ser ejetados da superfície metálica, mesmo que a intensidade fosse muito baixa ou que ela brilhasse apenas por um curto período de tempo. Esta freqüência mínima necessária para causar a ejeção de elétrons é chamada de freqüência limite.
A física clássica foi incapaz de explicar o efeito fotoelétrico. Se a física clássica fosse aplicada a esta situação, o elétron no metal poderia eventualmente coletar energia suficiente para ser ejetado da superfície, mesmo que a luz de entrada fosse de baixa freqüência. Einstein usou a teoria das partículas de luz para explicar o efeito fotoelétrico como mostrado na figura abaixo.
A luz de baixa freqüência (vermelha) é incapaz de causar a ejeção de elétrons da superfície do metal. Na ou acima da frequência limite (verde) os elétrons são ejetados. A luz de entrada de freqüência ainda maior (azul) causa a ejeção do mesmo número de elétrons, mas com maior velocidade.
Considerar a equação \(E = h \nu\). A \(E) é a energia mínima necessária para que o elétron do metal seja ejetado. Se a frequência de entrada da luz, \nu, estiver abaixo da frequência limite, nunca haverá energia suficiente para que os elétrons sejam ejetados. Se a frequência for igual ou superior à frequência limite, os elétrons serão ejetados. À medida que a freqüência aumenta além do limiar, os elétrons ejetados simplesmente se movem mais rápido. Um aumento na intensidade da luz de entrada que está acima da frequência limite faz com que o número de electrões que são ejectados aumente, mas eles não se deslocam mais rapidamente. O efeito fotoelétrico é aplicado em dispositivos chamados células fotoelétricas, que são comumente encontrados em itens do cotidiano (como uma calculadora) que utilizam a energia da luz para gerar eletricidade.
Células fotoelétricas convertem a energia da luz em energia elétrica, que alimenta esta calculadora.