Albert Einstein e o Efeito Fotoelétrico

O efeito fotoelétrico consiste na possibilidade que a luz possa arrancar elétrons de um metal através da incidência de luz ou através da radiação eletromagnética, não sendo necessariamente a luz visível. 

O que é a luz? No final do século XVIII, sabia-se que a luz era uma forma de energia transmitida ou irradiada, emitida a partir de um grupo de átomos e frequentemente absorvido por outro. Os cientistas desenvolveram um modelo útil dessa radiação conhecida como onda eletromagnética. A luz se comporta como uma onda elétrica, interagindo com uma onda magnética e se propagando numa velocidade de 300 mil quilômetros por segundo. Este modelo de onda proposto explica a maior parte, mas não todos os comportamentos da luz e de outras formas de energia radiante. 

No início do século XX, um físico alemão estudou um destes comportamentos inexplicáveis. Seu nome era Marx Plank e sua pesquisa se baseava em como a energia era compartilhada por átomos e o espaço entre eles. A teoria eletromagnética não conseguia prever os resultados observados utilizando uma caixa fechada em que uma radiação saltava de um lado para o outro. Entretanto, Plank elaborou uma forma de prever matematicamente as observações reais da distribuição de energia. A fórmula matemática  para as observações era:

E = H x F

 Mais precisamente, em quantidades inteiras de hf, onde h passou a ser chamada de constante de Planck, e f é a frequência da radiação emitida. Esta suposição é hoje conhecida como quantização da energia. Marx Plank propôs que existem restrições na maneira dos átomos irradiarem energia e que cada átomo pode emitir pacotes discretos mensuráveis de energia. Plank chamou este pacote de Quantum. Ele postulou que a energia emitida de cada quantum é determinada pela frequência da radiação. Em outras palavras, a energia é igual a frequência vezes uma constante. Plank conseguiu calcular aproximadamente esta constante, valendo 6,62606957×10-34 m2kg/s e a usou para prever emissões de energia de átomos.

A revolução da Física através de Einstein

A ideia do quantum revolucionou a física quando outro  cientista, Albert Einstein levou as ideias de Plank um pouco mais  adiante. Ele aplicou a ideia do quantum ao que é conhecido como Efeito Fotoelétrico. Este efeito pode ser estudado colocando duas placas metálicas em um vácuo e a conectando em uma bateria que induz uma carga elétrica em cada placa. Se a carga carregada negativamente for revestida com potássio, e em seguida iluminada com luz azul, elétrons serão emitidos da placa negativa e atraídos pela placa positiva. Porém, se for usada uma luz vermelha, não ocorrerá o movimento de elétrons. 

Modelo de Albert Einstein para estudar o Efeito Fotoelétrico. Antes de Einstein, os cientistas tentaram explicar e compreender esta relação entre luz e corrente elétrica usando o modelo de onda eletromagnética. A hipótese relata que “a energia é transmitida aos elétrons quando ondas eletromagnéticas atingem os átomos. Alguns dos elétrons escapam dos átomos e como a luz vermelha não causa a emissão de elétrons, somente será necessário aumentar a intensidade da luz vermelha para transferir mais energia a elétrons e produzir emissão”, segundo a hipótese. Porém, isso não acontece.

 Uma intensidade maior simplesmente faz com que se movimente maiores quantidades de elétrons. Estas observações não podem ser explicadas com o modelo de onda. Einstein usou então a ideia do quantum de Plank e propôs que os átomos não podem absorver qualquer quantidade de radiação. Eles só podem absorver pacotes discretos ou quanta de radiação. Isto pode fazer com que os átomos emitam elétrons.

Qual a diferença entre a luz azul e a luz vermelha? 

Albert Einstein e Marx Plank no ano de 1929. Plank já havia proposto que para a energia emitida, a energia de um fóton é proporcional à frequência, ou seja, quanto maior a frequência, maior será a energia. Albert Einstein propôs o mesmo raciocínio para a energia absorvida. Uma luz vermelha incindindo um eletrodo revestido de potássio não produz emissão, pois os fótons individuais de luz vermelha não tem a energia suficiente para liberar um elétron de um átomo de potássio. Porém os fótons de luz azul possuem energia suficiente psara liberar elétrons do átomo de potássio. A explicação de Albert Einstein rendeu à ele em 1921 o Nobel para Física da Academia Real de Ciências da Suécia deu ao trabalho sobre o efeito fotoelétrico.

   

O efeito Fotoelétrico no nosso dia a dia 

O modelo feito por Albert Einstein influência muito em nosso cotidiano. Dispositivos que funcionam através de células fotovoltaicas, como painéis solares, sensores que são usados em postes nas ruas, portas de shopping que se abrem automaticamente quando você se aproxima e entre outros mecanismos que estão ao nosso redor, contém alguma base do modelo fotoelétrico. Ao contrário do que muitos pensam, Albert Einstein ganhou o prêmio Nobel pelo efeito fotoelétrico, e não pela Teoria da Relatividade Geral.

Fonte: Ciência e Tecnologia