Um importante passo no desenvolvimento das concepções sobre a natureza da luz foi dado no estudo de um fenômeno muito interessante, descoberto por H. Hertz. Este fenômeno recebeu o nome de efeito fotoelétrico.

O efeito fotoelétrico consiste na emissão de elétrons pela matéria sob a ação da luz.

Para se observar o efeito fotoelétrico, é conveniente utilizar um eletroscópio de folhas (fig. 1). No eletroscópio monta-se uma lâmina de zinco. Se a lâmina estiver carregada positivamente, a sua iluminação, por exemplo com a ajuda de um arco voltaico, não influi na velocidade de descarga do eletroscópio. No entanto, se a lâmina estiver carregada negativamente, o feixe de luz do arco descarrega o eletroscópio com grande rapidez.

Este fato só pode ser explicado de uma maneira: a luz provoca a emissão de elétrons pela superfície da lâmina. Quando a lâmina está carregada negativamente, repele os elétrons e o eletroscópio descarrega-se. Quando está carregada positivamente, os elétrons emitidos sob a ação da luz são atraídos e voltam ao eletroscópio. É por esta razão que a carga do eletroscópio não varia.

Fig. 1

No entanto, quando o feixe de luz é interceptado por um vidro normal, a lâmina carregada deixa de perder elétrons, independentemente da intensidade do feixe de luz. Como é conhecido que o vidro absorve os raios ultravioletas, pode concluir-se que é precisamente a parte ultravioleta do espectro que provoca o efeito fotoelétrico. Este fato, apesar de simples, não pode ser explicado com base na teoria ondulatória da luz. Não se compreende por que as ondas de luz de pequena frequência não provocam a emissão de elétrons mesmo nos casos em que a amplitude da onda, e, portanto, a força com que ela atua nos elétrons, são grandes.

Leis do efeito fotoelétrico

Para se obter uma ideia mais completa sobre o efeito fotoelétrico é necessário determinar de que depende o número de elétrons (fotoelétrons) emitidos, sob a ação da luz, por uma superfície e a velocidade ou energia cinética desses elétrons. Com este objetivo foram levadas a cabo investigações experimentais, que passamos a descrever. Colocam-se dois eletrodos numa ampola de vidro da qual se retirou previamente o ar (fig. 2). Num dos eletrodos, através de uma "janela" de quartzo, transparente não só para a luz visível como também para a radiação ultravioleta, incidem os raios de luz. Com a ajuda de um potenciômetro faz-se variar a diferença de potencial entre os eletrodos, medindo-a por meio de um voltímetro. O polo negativo da pilha liga-se ao eletrodo iluminado. Sob a ação da luz, este eletrodo emite elétrons que, ao movimentarem-se no campo elétrico, criam corrente elétrica. Quando o potencial é pequeno, nem todos os elétrons atingem o outro eletrodo. Se se aumentar a diferença de potencial entre os eletrodos e não se alterar o feixe de luz, a intensidade da corrente aumenta, atinge o valor máximo, depois do que deixa de crescer (fig. 3). O valor máximo da intensidade da corrente \( I_s \) chama-se corrente de saturação. A corrente de saturação é determinada pelo número de elétrons emitidos num segundo pelo eletrodo iluminado.

Mudando, nesta experiência, o feixe luminoso, determinou-se que o número de elétrons emitidos pela superfície do metal num segundo é diretamente proporcional à energia da onda de luz absorvida durante o mesmo intervalo de tempo. Neste fato não há nada de inesperado, já que quanto maior é a energia do feixe de luz, mais eficaz se torna a sua ação.

Passemos agora à medição da energia cinética (ou velocidade) dos elétrons. No gráfico da fig. 3, vê-se que a intensidade da corrente fotoelétrica é diferente de zero mesmo quando a diferença de potencial é nula. Isto significa que, mesmo na ausência de diferença de potencial, uma parte dos elétrons atinge o eletrodo direito (fig. 2). Se se alterar a polaridade da bateria, a intensidade da corrente diminui até se anular, quando o potencial de polaridade inversa atinge o valor \( U_p \). Isto significa que os elétrons emitidos são detidos e forçados a voltar para trás, sob a ação do campo elétrico.

O potencial de parada \( U_p \) depende do valor máximo da energia cinética que os elétrons emitidos atingem sob a ação da luz. A medição do potencial de parada e o teorema da energia cinética permitem calcular a energia cinética máxima dos elétrons:

\( \frac{mv^2}{2} = eU_p \)

Verificou-se experimentalmente que o potencial de parada não depende da intensidade da luz (energia transmitida ao eletrodo por unidade de tempo). Não muda, portanto, também a energia cinética dos elétrons. Do ponto de vista da teoria ondulatória, este fato é incompreensível já que, quanto maior for a intensidade da luz, maiores são as forças que se exercem sobre os elétrons por parte do campo eletromagnético da onda luminosa e, portanto, mais energia deveria ser transmitida aos elétrons.

Verificou-se experimentalmente que a energia cinética dos elétrons emitidos sob a ação da luz só depende da frequência da luz. A energia cinética máxima dos fotoelétrons é proporcional à frequência da luz e não depende da intensidade desta. O efeito fotoelétrico não se verifica quando a frequência da luz é menor do que um dado valor mínimo \( f_{\text{min}} \), dependente do material do eletrodo.

Aplicações tecnológicas e o legado quântico

A compreensão profunda do efeito fotoelétrico e da natureza corpuscular da luz abriu caminho para inúmeras inovações que transformaram o nosso cotidiano. O princípio da emissão de elétrons sob a ação da luz permitiu a criação das células fotoelétricas (fotocélulas), dispositivos capazes de transformar energia luminosa diretamente em corrente elétrica. Elas são a base de funcionamento de painéis solares, sensores de portas automáticas, leitores de código de barras e sistemas de segurança.

Além disso, o domínio desses princípios quânticos e da interação entre luz e matéria impulsionou o desenvolvimento de novas fontes de iluminação. Tecnologias modernas, como as lâmpadas fluorescentes e os LEDs, operam fundamentadas na emissão e absorção quantizada de energia pelos átomos, gerando "luz fria" e revelando-se várias vezes mais econômicas do que as habituais lâmpadas incandescentes.

...vezes mais econômicas do que as habituais lâmpadas incandescentes.