Efeito fotoelétrico

Efeito fotoelétrico

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Efeito fotoelétrico

Informações, manuais e artigos sobre o experimento:

http://www.labdid.if.usp.br/~estrutura/Experimentos/Fe/fe.htm

Relatório

Formato do relatório e pesos aproximados para cada parte do conteúdo a ser mostrado a respeito da experiência sobre efeito fotoelétrico:

http://www.labdid.if.usp.br/~estrutura/Experimentos/Fe/relatorio.htm

Medidas 1ª aula

  1. Linhas do Mercúrio

    1. Quantas raias? Visíveis?

    2. UV?

    3. Rede de difração (feixe difratados de um lado + intenso que do outro lado?)

  1. Ligações do circuito

    1. Amperímetro e voltímetro

  1. Medidas de curvas de tensão versus corrente para diversos λ e intensidade da luz incidente (valores negativos e positivos de V)

  1. Outras medidas interessantes?

    1. Filtros (com e sem), combinações possíveis

  1. Entendimento das correntes espúrias

Para permitir a realização de medições sistemáticas de maneira eficiente, será

usada uma fonte de tensão variável e uma caixa inversora e o amperímetro e

voltímetros serão acoplados a esta

  1. A tensão de freamento deve ser monitorada em um voltímetro

  2. O pico-amperímetro permite monitorar a corrente fotoelétrica

Pré - 2ª aula

Ler e/ou saber do que se tratam os artigos

R. H. Fowler, Phys. Rev. 38, 45 (1931)

L. A. DuBridge, Phys. Rev. 39, 108 (1931)

L. A. DuBridge, Phys. Rev. 43, 727 (1933)

Saber o que são férmions e o que é a estatística de Fermi-Dirac.

Curiosidades

Artigos extras de anos anteriores: http://www.labdid.if.usp.br/~estrutura/Fe/fe.htm

proposição teórica e descoberta experimental

Einsten (trad. inglês)

Millikan

Medidas 2ª aula

  1. Linhas do Mercúrio

    1. Medir todas as raias

    2. Violeta e UV também

  1. Medidas de curvas de tensão versus corrente para diversos λ e intensidade da luz incidente (valores negativos e positivos de V)

  1. Outras medidas

    1. Filtros (com e sem),

  1. Combinações possíveis filtros de cor e intensidade

  1. Entendimento das correntes espúrias

Introdução

Oefeitofotoelétricoéumdosváriostiposdeprocessospelosquaisaradiaçãointeragecomamatéria. Basicamente, trata-sedaemissãodeelétronsporummaterialdevidoaincidênciadeluz - radiaçãoeletromagnética - sobreomesmo. Historicamente, adescobertaeoentendimentodesseefeitoforamfundamentaisparaacontestaçãodaeletrodinâmicaclássica, quedescreveanaturezadaradiaçãoeletromagnéticadeformapuramenteondulatória.

Esteexperimentoteveporobjetivooestudoeacaracterizaçãodoefeitofotoelétricoatravésdautilizaçãodeumacélulafoto-elétricae, apartirdosdadosobtidos, aobtençãodaconstantedePlanckatravésdetrêsdiferentesmétodosdeanálise.

Adescobertadoefeitofotoelétricoeoconfrontocomoteoriaeletromagnéticaclássica

Em 1886 e 1887 HeinrichHertzrealizouasexperiênciasquepelaprimeiravezconfirmaram

aexistênciadeondaseletromagnéticaseateoriadeMaxwellsobreapropagação

daluz. Curiosamente, foiporocasiãodessesexperimentosqueHertzdescobriutambémqueuma

descargaelétricaentredoiseletrôdosocorremaisfacilmentequandosefazincidir

sobreumdelesluzultra-violeta. EstimuladospelotrabalhodeHertz, outroscientistasrealizaramexperiênciasquelevariamacaracterizaçãodoefeitofotoelétrico: em 1888, Wilhelm

Hallwachsmostrouquecorposmetálicosirradiadoscomluzultravioletaadquiriam

cargapositiva, eLenard, seguindoalgunsdosexperimentosdeHallwachs, mostrou

quealuzultravioletafacilitaadescargaaofazercomqueelétronssejamemitidos

dasuperfíciedocátodo.

Emparticular, asexperiênciascomoefeitofotoelétricomostramtrêsaspectosquenãopodemserexplicadospelateoriaeletromagnéticaclássica, àsaber:

Aenergiacinéticamáximadoselétronsemitidospelasuperfíciedeummetalporaçãodeluzmonocromáticaéindependentedaintensidadedaluz. Noentantoaenergiadosfoto-elétronsdependecriticamentedafreqüênciadaradiaçãoincidente.

Existeumafreqüênciadecorteparaaradiaçãoeletromagnética, abaixodaqualnãoocorreefeitofotoelétrico. Afreqüênciadecortedependedomaterialdequeéfeitaasuperfícieemissora.

Nãoépossíveldetectarexperimentalmentenenhumatrasoentreoinstanteemquealuzcomeçaaincidirsobreasuperfícieeoiníciodaemissãodefoto-elétrons.*

*Umvalorestimadoparaotempoqueserianecessárioparaaemissãodefoto-elétronsutilizandoprevisõesdateoriaclássicaédet ~128s, verocálculodestaestimativanasnotasdeaulasdocursodeFísicadoSéculoXX - AdoprofessorMichelBetzdaUFRGSdisponíveisemhttp://www.if.ufrgs.br/~betz/iq_XX_A/fotoElec/aFotoElecText.htm

AteoriadeEinstein

Em 1905, AlbertEinsteinpropôsummodeloparaexplicaroefeitofoto-elétrico. Eleassumiuqueasondaseletromagnéticaseramdadasporpacotesdeenergia (fótons), sendoquecadafótoncarregariaumaenergiadeE = , ondehéaconstantedeplanckeνéafrequênciadaradiação.

Quandoumfótonatingeoelétrondasuperfíciedomaterial, eleéabsorvidoportalelétronedependendodaquantidadedeenergiaabsorvida, estepodeounãoaserejetadodasuperfíciedomaterial. Aenergiacinéticacomaqualoelétronseráejetadoédadapor:

K = - (1)

ondeeécargaelementardoelétroneφéafunçãotrabalhodomaterial - estaúltimaéinterpretadacomoaquantidadedeenergiamínimaparaoelétronconseguirselivrardoátomo.

OmodelodeEinsteinresolvefacilmenteostrêsproblemasqueafísicaclássicaenfrentava. Oprimeirodeles (energiacinéticamáximasendoindependentedaintensidadedailuminação) éresolvidoargumentando-sequeaoaumentaraintensidadedaluz, aumenta-sesomenteonúmerodefótonse, portantoaumentaacorrentefoto-elétrica, quemaiselétronssãoejetadosdomaterial, porémaenergiadecadafótonéamesmaeadoprocessotambém.

Aequação (1) nosmostraqueexisteumafrequêncialimite, abaixodaqualnãomaisefeitofoto-elétrico, quecorrespondeasituaçãoemqueoelétronrecebeumaquantidadedeenergiaigualadafunçãotrabalho, deixando-ocomenergiacinéticanula. Anulandoaenergiacinéticanaequação (1) eisolandoafrequêncialimite, temos:

νo = /h,

sendoνoafrequênciamínimaparaqueumfótontenhaaenergianecessáriaparaejetarumelétron.

AteoriadeEinsteintambémexplicaofatodenãohaverumretardamentonaejeçãodoselétrons, mesmoparaintensidadesfracasdeluz. Aenergiafornecidaédadaempacotesconcentradosenãoseespalhauniformemente (comoafirmaateoriaclássica), assimumfótonqueinteragecomomaterialéabsorvidoporumátomo, queimediatamenteemiteumelétron.

Alémdisso, ateoriaprevêumatensãodecorte $V_0$ paraqualacorrentefotoelétricaseanula, quecorrespondeaenegiacinéticamáxima $K_máx$ comaqualosfotoelétronssãoemitidos:

Kmax = eVo

Substituindonaequação (1):

Kmax = hv - = eVo

Vo = (h/e)v - φ (2)

Em que Vo é a tensão de corte do material - isto é, o valor mínimo de tensão para que haja efeito foto-elétrico.

DestarelaçãoépossívelestimarumvalorparaaconstantedePlanck. Ovalordereferênciaparacomparaçãoqueseráutilizadoéh = 6,62606957(29)*10^-34 Js¹. Utilizaremostambémosvaloresc = 299792458 m/see = 1,602176565*10^-19 Cparaavelocidadedaluzecargadoelétron, respectivamente.

MATERIAISEMÉTODOS

Oprocedimentoutilizadoparaesteexperimento, podeserdivididoemduaspartes: umacoletadedadosmanualeumacoletadedadosautomática.

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