O efeito fotoelétrico
Albert Einstein recebeu o Prêmio Nobel em 1921 por sua descoberta da relação linear entre o comprimento de onda da luz e a energia do elétron ejetado no efeito fotoelétrico.
A previsão de Einstein era uma parte muito pequena de seu artigo de 1905, no qual ele hipotetizava que a radiação poderia ser melhor compreendida como proveniente de quanta discretos de energia E = hν. Einstein questionava como um campo de radiação esférico emitido poderia se concentrar instantaneamente para ser absorvido por um único átomo. Einstein escreveu:
A teoria ondulatória da luz, que opera com funções espaciais contínuas, tem se mostrado eficaz na representação de fenômenos puramente ópticos e provavelmente nunca será substituída por outra teoria. Deve-se ter em mente, contudo, que as observações ópticas se referem a médias temporais, e não a valores instantâneos. Apesar da completa confirmação experimental da teoria aplicada à difração, reflexão, refração, dispersão, etc., ainda é concebível que a teoria da luz que opera com funções espaciais contínuas possa levar a contradições com a experiência quando aplicada aos fenômenos de emissão e transformação da luz.
Parece-me que as observações associadas à radiação de corpo negro, fluorescência, produção de raios catódicos por luz ultravioleta e outros fenômenos relacionados à emissão ou transformação da luz são mais facilmente compreendidas se assumirmos que a energia da luz está distribuída de forma descontínua no espaço.
Em particular, o efeito fotoelétrico mostrou quanta de luz discretos e descontínuos, embora tenha sido posto em dúvida até o Efeito Compton em 1923.
De acordo com a hipótese a ser considerada aqui, a energia de um raio de luz que se propaga a partir de uma fonte pontual não é distribuída continuamente por um espaço crescente, mas consiste em um número finito de quanta de energia localizados em pontos do espaço, que se movem sem se dividir e que só podem ser produzidos e absorvidos como unidades completas.
Chegamos, portanto, à seguinte conclusão: quanto maior a densidade de energia e o comprimento de onda de uma radiação, mais úteis se mostram os princípios teóricos que empregamos; para comprimentos de onda pequenos e densidades de radiação pequenas, no entanto, esses princípios falham completamente.
Concluímos ainda que: A radiação monocromática de baixa densidade (dentro do intervalo de validade da fórmula de radiação de Wien) comporta-se termodinamicamente como se fosse constituída por um número de quanta de energia independentes.
Termodinamicamente, a radiação se comporta como um gás.
A luz não pode se espalhar continuamente em todas as direções
se a energia for absorvida como uma unidade que ejeta um fotoelétron.
A energia de um raio de luz que se propaga a partir de uma fonte pontual não é distribuída continuamente por um espaço crescente, mas consiste em um número finito de quanta de energia que estão localizados em pontos no espaço, que se movem sem se dividir e que só podem ser produzidos e absorvidos como unidades completas.
A concepção usual, de que a energia da luz se distribui continuamente pelo espaço por onde se propaga, encontra sérias dificuldades quando se tenta explicar os fenômenos fotoelétricos.
Por que Bohr não percebeu em 1913, ou Einstein não lhe apontou, que quando um elétron em um átomo absorve ou emite energia, o elétron que salta é acompanhado por um único quantum de luz?
De acordo com o conceito de que a luz incidente consiste em quanta de energia..., podemos conceber a ejeção de elétrons pela luz da seguinte maneira. Quanta de energia penetram na camada superficial do corpo e sua energia é transformada, pelo menos em parte, em energia cinética dos elétrons. A maneira mais simples de imaginar isso é que um quantum de luz transfere toda a sua energia para um único elétron; vamos assumir que é isso que acontece.
De acordo com o conceito de que a luz incidente consiste em quanta de energia de magnitude Rβν/N, podemos conceber a ejeção de elétrons pela luz da seguinte maneira: os quanta de energia penetram na camada superficial do corpo e sua energia é transformada, pelo menos em parte, em energia cinética dos elétrons. A maneira mais simples de imaginar isso é que um quantum de luz transfere toda a sua energia para um único elétron; vamos assumir que é isso que acontece...
Se a fórmula derivada estiver correta, então... quando representada em coordenadas cartesianas como uma função da frequência da luz incidente, deve ser uma linha reta cuja inclinação é independente da natureza da substância emissora.
Pelo que posso ver, não há contradição entre essas concepções e as propriedades do efeito fotoelétrico observadas pelo Sr. Lenard. Se cada quantum de energia da luz incidente, independentemente de qualquer outra coisa, transferir sua energia para os elétrons, então a distribuição de velocidade dos elétrons ejetados será independente da intensidade da luz incidente; por outro lado, o número de elétrons que deixam o corpo será, se as demais condições forem mantidas constantes, proporcional à intensidade da luz incidente.
Einstein expandiu consideravelmente sua hipótese do quantum de luz em uma apresentação na conferência de Salzburgo, em setembro de 1909. Ele argumentou que a interação entre radiação e matéria envolvia processos elementares que não são
reversíveis , uma profunda compreensão da
irreversibilidade dos processos naturais
. Embora ondas esféricas de radiação incidentes sejam matematicamente possíveis, elas não são praticamente alcançáveis. A natureza parece ser
assimétrica no tempo . Ele especulou que o campo eletromagnético contínuo poderia ser composto por um grande número de quanta de luz – pontos singulares no campo que se sobrepõem para criar o comportamento ondulatório.
Considere as leis que regem a produção de radiação catódica secundária por raios X. Se raios catódicos primários incidirem sobre uma placa metálica P1, eles produzem raios X. Se esses raios X incidirem sobre uma segunda placa metálica P2, raios catódicos serão produzidos novamente, cuja velocidade é da mesma ordem de grandeza que a dos raios catódicos primários.
Até onde sabemos hoje, a velocidade dos raios catódicos secundários não depende da distância entre P1 e P2, nem da intensidade dos raios catódicos primários, mas sim exclusivamente da velocidade dos raios catódicos primários. Suponhamos que isso seja estritamente verdade. O que aconteceria se reduzíssemos a intensidade dos raios catódicos primários ou o tamanho de P1, sobre o qual eles incidem, de modo que o impacto de um elétron dos raios catódicos primários pudesse ser considerado um processo isolado?
Em suas observações após a palestra, Johannes Stark confirmou ter observado um único raio-X que viajou até dez metros e ejetou um elétron de energia semelhante do ponto P2.
Se o exposto acima for realmente verdade, então, devido à independência da velocidade dos raios catódicos secundários em relação à intensidade dos raios catódicos primários, devemos assumir que um elétron incidindo em P1 ou não produzirá elétrons em P2, ou produzirá uma emissão secundária de um elétron cuja velocidade é da mesma ordem de grandeza da do elétron inicial que incidiu em P1. Em outras palavras, o processo elementar de radiação parece ocorrer de tal forma que não dispersa a energia do elétron primário em uma onda esférica que se propaga em todas as direções, como exige a teoria da oscilação.
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