Efeito Fotoelétrico

O efeito fotoelétrico descreve a ejeção de elétrons de uma superfície metálica quando iluminada por luz acima de uma frequência limiar crítica f0. A teoria clássica das ondas previa que qualquer frequência de luz, com intensidade suficiente, acabaria por ejetar elétrons. A explicação quântica de Einstein em 1905 demonstrou, ao contrário, que a luz é composta de fótons discretos, cada um carregando energia E = hf, onde h = 6,626 x 10^-34 J s (4,136 x 10^-15 eV s). Um elétron é ejetado somente se um único fóton carregar energia suficiente para superar a função trabalho phi do material: a condição limiar é hf0 = phi. Acima de f0, a energia cinética máxima dos elétrons ejetados obedece a KEmax = h(f - f0), uma relação linear com inclinação h e interseção zero em f0. A interseção fornece phi diretamente, tornando o experimento uma medida precisa da constante de Planck e uma ferramenta para determinar funções trabalho de superfícies. O sódio tem phi = 2,3 eV (limiar ~0,56 x 10^15 Hz, UV próximo), o alumínio 4,1 eV (UV profundo) e a platina 5,7 eV (exigindo raios X).

O efeito fotoelétrico foi determinante na fundação da mecânica quântica. As meticulosas medições de Millikan em 1916 confirmaram a relação linear entre KEmax e f prevista por Einstein, com inclinação compatível com h dentro de 1%, embora Millikan permanecesse relutante em aceitar a interpretação corpuscular da luz que ele próprio havia verificado. Einstein recebeu o Prêmio Nobel de Física de 1921 especificamente por essa descoberta, e não pela relatividade. Hoje, o efeito é o princípio de funcionamento de fotomultiplicadoras (detecção de fóton único em física de partículas e em exames de PET na medicina), dispositivos de carga acoplada (CCDs em astronomia e câmeras digitais) e espectroscopia fotoeletrônica de raios X (XPS), que mapeia a composição elementar de superfícies medindo os desvios de KEmax. Em células fotovoltaicas, os fótons absorvidos excitam elétrons através de uma banda proibida de semicondutor em vez de uma função trabalho metálica, mas a mesma quantização E = hf governa a tensão máxima que a célula pode gerar. O comprimento de onda de corte para células solares de silício (banda proibida de 1,12 eV) é de 1107 nm, definindo a borda de absorção no infravermelho.