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O efeito fotoelétrico

Materiais fotoelétricos emitem elétrons quando absorvem luz de uma frequência suficientemente alta. Versão original criada por Khan Academy.

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Transcrição de vídeo

RKA2JV - Olá! Tudo bem com você? Neste vídeo, vamos conversar sobre o efeito fotoelétrico. Mas o que é o efeito fotoelétrico? O efeito fotoelétrico é outra dessas coisas legais da Física que parece que saiu de uma ficção científica, mas que, na verdade, descreve um fenômeno cotidiano ao nosso redor. E efeito fotoelétrico e as coisas relacionadas a esse efeito são usados para todos os tipos de coisas, tais como painéis solares e câmeras. E o próprio nome é a maior dica do que está acontecendo: "foto" = fóton, "elétrico" = elétron. Sabendo disso, o que é o efeito fotoelétrico, então? E efeito fotoelétrico e a emissão de elétrons de um metal que absorveu radiação eletromagnética, como a luz, em uma certa frequência. Uma partícula de luz é chamada de fóton e, quando um fóton tem energia suficiente, ele pode realmente liberar um elétron. O que acontece é que o fóton colide com a superfície do metal, atingindo um elétron. Quando essas partículas colidem, parte da energia do fóton é usada para deslocar o elétron. Esse elétron é, então, disparado para fora do metal (ou emitido). O resto da energia do fóton é transferido para o elétron emitido. Sabemos que a energia é transferida entre objetos, e é conservada em um sistema. Então, talvez esse efeito fotoelétrico pareça simples, mas não: a explicação para isso não veio de forma tão simples. Não é à toa que Albert Einstein recebeu um prêmio Nobel por ter conseguido explicar esse efeito. Mas por que isso foi tão importante? Ao compreender o efeito fotoelétrico, também aprendemos muito sobre as propriedades fundamentais da luz. Hoje, sabemos que a luz pode se comportar tanto como partícula quanto como onda, mas isso nem sempre foi visto dessa forma. Quando esse efeito foi observado, os cientistas tinham uma compreensão da luz tendo propriedades de uma onda. Mas o efeito fotoelétrico foi uma grande evidência de que a luz também poderia se comportar como uma partícula. Também foi percebido que a energia dessas partículas estava relacionada à frequência da luz. Então, como os cientistas descobriram tudo isso? Bem, vamos começar pensando como fazer um metal emitir um elétron. Isso parece muito com a ideia de trabalho, não é? E precisamos de energia para realizar trabalho. Acontece que os elétrons têm o que é chamado de "energia de ligação". A energia de ligação, que eu vou colocar aqui apenas como EL, se refere à quantidade de energia necessária para elevar um elétron para longe do átomo que ele orbita ou ao qual ele está vinculado. Daí, o nome de energia de ligação. Os elétrons ficam "felizes" em permanecer onde estão, a menos que algo lhes dê energia suficiente para superar essa energia de ligação e colocá-los fora do lugar. Portanto, a energia que atinge um elétron tem que ser maior do que sua energia de ligação para causar a emissão. Os cientistas observaram o efeito fotoelétrico, mas queriam saber como funcionava, porque, bem, é isso que os cientistas fazem. Assim, ao longo dos anos, vários cientistas desenvolveram experimentos que testaram os efeitos de diferentes tipos de luz em diferentes materiais. E o que eles encontraram com isso? Eles perceberam que, se uma luz estava sendo emitidas sobre um metal e o metal não estava emitindo elétrons, mudar a intensidade da luz não mudava as coisas. Mas eles notaram que, se aumentasse a frequência da luz, algo acontecia. Então, por exemplo, se você configurar um experimento em que está iluminando um pedaço de metal com uma lâmpada e esse metal não está liberando nenhum elétron, acender duas dessas lâmpadas sobre o metal não vai mudar nada. Mas, se você substituir a lâmpada por uma que emita uma frequência de luz mais alta, isso pode mudar as coisas. E essa foi uma grande dica de que a luz pode estar se comportando como uma partícula. Mas por que isso? Se a luz fosse uma onda normal, esperaríamos que, enviando mais energia ao metal, aumentando a intensidade, os elétrons ganhariam energia suficiente para serem emitidos. Mas, como isso não aconteceu, ficou claro que algo a mais estava acontecendo. E isso acabou levando à ideia de que a luz era composta de fótons, e que esses fótons precisam transferir, individualmente, energia suficiente para um elétron, para que ele saia do lugar. Assim, mudando a frequência de uma luz, podemos mudar a energia de um fóton. Uma vez que essa energia é mais alta do que a energia de ligação da qual falamos antes, ela pode liberar um elétron. Qualquer energia extra vai contribuir para a energia do elétron emitido. Isso é muito importante e nos permite fazer muitas coisas legais. Sabendo disso, vamos voltar a um dos exemplos que eu falei no início: os painéis solares. Eles têm estas coisas aqui, chamadas células fotovoltaicas, que estamos fingindo que é esta coisa que eu estou desenhando aqui. Essas células fotovoltaicas usam uma versão do efeito fotoelétrico para gerar eletricidade. Quando a luz solar atinge as células, elas emitem elétrons. As células são projetadas para que esses elétrons em movimento gerem uma voltagem. E a voltagem pode alimentar dispositivos. Agora podemos ver por que o efeito fotoelétrico é tão importante. Não só revolucionou a nossa compreensão da Física, mas também nos possibilitou desenvolver efeitos semelhantes que são usados em toneladas de tecnologias. Eu espero que você tenha compreendido todas essas ideias aqui e, mais uma vez, eu quero deixar para você um grande abraço, e dizer que te encontro na próxima. Então, até lá!