A Luz Como Fótons
Mas a genialidade de Max Planck não parou! Além de compreender que a luz podia se comportar como partícula e onda, ele também utilizou outra hipótese totalmente inovadora em sua teoria: supôs que a luz não era algo contínuo, mas sim que ela era composta por pequenos “pacotes” de energia, chamados de fótons. Justamente por ser algo totalmente inovador, essa teoria foi pouco aceita. Era de se esperar isso, né? Afinal, se nós não conseguimos ver divisão nenhuma nos raios de luz, como alguém pode afirmar que ela não é contínua? E foi exatamente aqui que Einstein entrou na história! Ele abraçou as ideias de Planck e publicou um artigo que o fez ganhar o prêmio Nobel! Mas, afinal, o que Einstein escreveu nesse artigo? Ele simplesmente provou o que Planck dizia: a luz interage com a matéria não como algo contínuo, mas sim como fótons! Mas, espera aí, como ele conseguiu isso? Através do chamado Efeito fotoelétrico, que estudaremos em seguida.
Efeito Fotoelétrico
Muito provavelmente, quando falamos que Einstein tinha utilizado o Efeito fotoelétrico para provar uma das grandes descobertas da Física, você deve ter imaginado um experimento de alta complexidade, certo? Mas, por incrível que pareça, isso não é verdade! A ideia básica deste efeito é bem simples e a entenderemos agora!
Suponha que você está carregando uma lanterna e tem uma placa de metal em suas mãos e que, por algum motivo, você decida apontar essa lanterna e iluminar a placa. O que o Efeito fotoelétrico diz é que ao incidir luz sobre essa superfície metálica, você fez com que alguns elétrons dela ganhassem energia e fossem ejetados! Se liga na imagem a seguir, ela mostra exatamente isso!
Bom, até aí, tudo bem, isso já tinha sido descoberto muito tempo antes de Einstein. Entretanto, algumas outras coisas a respeito desse efeito ainda não tinham sido explicadas e foi justamente nelas que a Einstein se destacou!
Imagine que aquela lanterna de que falamos anteriormente emitisse luz vermelha e que, ao apontarmos ela para a placa de metal, dois elétrons foram removidos dessa placa com uma certa velocidade. Lembra com qual tipo de energia a velocidade está associada? Isso mesmo, com a energia cinética. Podemos afirmar, então, que esses elétrons foram ejetados com uma certa energia cinética, certo?
Agora, suponha que apontemos mais uma lanterna, exatamente igual a anterior, para a placa. Ou seja, que aumentemos a intensidade da luz (aumentemos a energia total!) que atinge a placa. O que será que vai acontecer? Intuitivamente, imaginamos que os elétrons vão receber mais energia e, consequentemente, vão sair com uma velocidade maior, não é verdade? Mas não é isso o que acontece! O que realmente ocorre é que o dobro de elétrons são emitidos, mas todos com a mesma energia cinética dos anteriores!
Mas qual é a explicação disso? Esta foi uma das perguntas respondidas por Einstein. Ele se baseou na ideia de que a luz era composta pelos “pacotes de energia” (os fótons!) e utilizou a seguinte hipótese: cada fóton pode ser absorvido somente por um elétron e cada elétron pode absorver somente um fóton. E sabe o que é o mais sensacional? Isso realmente explica tudo que acontece no Efeito fotoelétrico!
Agora, você pode estar se perguntando: existe algum modo de fazer com que os elétrons sejam ejetados com maior velocidade? A resposta é sim e isso também foi explicado por Planck e Einstein! Vamos entender isso agora: anos antes, quando criou sua teoria, Planck havia dito que a energia desses fótons que formavam a luz era diretamente proporcional à frequência que a luz oscilava. Mas ele não parou por aí! Através da constante de Planck, ele conseguiu transformar essa proporcionalidade na equação mostrada abaixo!
E foi justamente através dessa equação que Einstein deduziu como a energia cinética com que os elétrons são ejetados variava: conforme a cor da luz incidente! Lembra do espectro eletromagnético que vimos no capítulo de Ondulatória? Através dele, mostramos que as luzes de cores violeta e azul possuíam as maiores frequências, como mostrado a seguir.
Muito provavelmente, você já percebeu qual será o efeito disso aqui, não é? Os fótons que formam as luzes dessas cores possuem muito mais energia do que os fótons que formam a luz vermelha! E, justamente por isso, quando colocamos a luz azul sobre uma placa de metal, os elétrons dela serão ejetados com muito mais velocidade (e energia cinética!) do que seriam se colocássemos uma luz vermelha!
Não esqueça! Independente de qual seja a intensidade de uma certa luz, os fótons que formam a luz de uma mesma cor sempre irão possuir a mesma energia. Isso é explicado pelo fato de que a energia dos fótons depende apenas da frequência de oscilação da onda eletromagnética.
A Função Trabalho
Bom, fazendo um pequeno resumo do que estudamos agora: o Efeito fotoelétrico nos diz que, quando um feixe de luz incide sobre uma superfície metálica, elétrons dela são ejetados com uma certa energia cinética, certo? Mas nosso estudo não acaba por aqui! Se você reparar bem, existe uma coisa que ainda não mensuramos: a energia cinética com que o elétron sai do metal.
Concorda que os elétrons fazem parte do material metálico? Sim, isso realmente é verdade! Sabendo disso, podemos nos perguntar o seguinte: será que não é necessária uma certa energia para “desgrudar” esses elétrons do metal? Com certeza! Essa energia é a chamada função trabalho do metal.
Vamos pensar um pouquinho em tudo o que vimos até agora: sabemos que um fóton carrega energia e que, quando ele interage com a matéria, essa energia é absorvida por um só elétron, certo? Além disso, acabamos de estudar que é necessário realizar um certo trabalho para remover um elétron do metal. Bom, é justamente através dessas duas coisas que podemos descobrir com quanta energia cinética um elétron é ejetado! Veja bem: se ele ganha a energia do fóton e precisa realizar trabalho para se “desgrudar” do metal, então a energia (cinética) que vai restar para ele é a diferença entre essas duas! Se liga na equação abaixo, ela mostra exatamente isso!
A energia cinética com que um elétron é ejetado é exatamente igual a energia do fóton menos o trabalho necessário para retirar o elétron do metal.
Vale a observação! É claro que a energia cinética do elétron não pode ser negativa. Caso a energia do fóton seja menor do que o trabalho do metal, os elétrons não são ejetados do material. Isso é exatamente o que acontece com ondas de frequências muito baixas! Chamamos a frequência mínima necessária para arrancar o elétron de “frequência de corte” e ela varia conforme o material da placa!
O Efeito Fotoelétrico na Prática
Alguma vez você já reparou que os postes de rua acendem suas lâmpadas automaticamente conforme escurece? Eles fazem isso através de um dispositivo que fica bem em cima da lâmpada, chamado de fotocélula. E sabe o que é mais interessante? Esse dispositivo funciona através do efeito fotoelétrico!
Quando a luz solar atinge a placa de metal do dispositivo, alguns elétrons são ejetados, criando uma corrente dentro do circuito interno da fotocélula. Lembra lá do Eletromagnetismo o que aparece quando existe uma corrente elétrica? Isso aí, um campo magnético! Esse campo magnético atrai uma peça de metal, tirando ela de seu lugar e abrindo o circuito responsável por fazer a luz acender. Quando anoitece, esses elétrons param de ser emitidos e a corrente elétrica no circuito extingui-se. Consequentemente, o campo magnético some e a peça de metal volta para seu lugar, fechando novamente o circuito responsável por ligar a lâmpada!
Muito importante! O Efeito fotoelétrico não acontece somente com a luz, seu princípio também é o mesmo para todas as ondas eletromagnéticas! Uma observação importante é que, se a onda tiver uma frequência muito baixa, seus fótons não terão energia suficiente para fazer com que os elétrons sejam arrancados do metal.