Conteúdos
● O Efeito Fotoelétrico;
● Previsões Clássicas X Observações Experimentais;
● A explicação de Einstein; e
● O prêmio Nobel de Física de 1921.
Objetivos
● Compreender o que é o Efeito Fotoelétrico (E-Fel);
● Compreender as diferenças entre as previsões clássicas e “quânticas” para o E-Fel; e
● Compreender as ideias de Einstein para explicar o Efeito Fotoelétrico.
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Palavras-chave:
Efeito Fotoelétrico. Albert Einstein. Prêmio Nobel de Física de 1921.
Sugestão de aplicação para o ensino remoto:
As sugestões estão organizadas em tópicos com uma breve explicação de cada recurso.
● Jitsi Meet: é um sistema de código aberto e gratuito, com o objetivo de permitir a criação e implementação de soluções seguras para videoconferências via Internet, com áudio, discagem, gravação e transmissão simultânea. Possui capacidade para até 200 pessoas, não há necessidade de criar uma conta, você poderá acessar através do seu navegador ou fazer o download do aplicativo, disponível para Android e iOS.
Trabalhando com essa ferramenta, é possível:
– Compartilhar sua área de trabalho, apresentações e arquivos;
– Convidar usuários para uma videoconferência por meio de um URL simples e personalizado;
– Editar documentos simultaneamente usando Etherpad (editor de texto on-line de código aberto);
– Trocar mensagens através do bate-papo integrado;
– Visualizar automaticamente o orador ativo ou escolher manualmente o participante que deseja ver na tela;
– Reproduzir um vídeo do YouTube para todos os participantes.
● Gravação de videoaula usando o Power Point: o PPT, já tão utilizado por nós professores para preparamos nossas aulas, também permite a gravação de uma narração para os slides, que tanto nos auxiliam na explanação dos conteúdos. É possível habilitar a função de vídeo enquanto grava, assim, os alunos verão o professor em uma janelinha no canto direito da apresentação. Essa ferramenta é bem simples e eficaz. Veja um guia.
● Envio de Podcast aos alunos: podcast nada mais é do que um áudio gravado (como os enviados pelo Whatsapp). Podem ser utilizados para narrar uma história, para correção de atividades, revisar ou aprofundar os conteúdos. Para tanto, sugiro o app Anchor, que pode ser baixado no seu celular. Ele é muito fácil e simples de utilizar.
● Plataforma Google Classroom: permite a criação de uma sala de aula virtual. Essa ação irá gerar um código que será compartilhado com os alunos, para que acessem a sala. Nesse ambiente virtual, o/a professor/a poderá criar postagens de avisos, textos, slides do PPT, conteúdos, links de vídeos, roteiros de estudos, atividades, etc. É uma forma bem simples e eficaz de manter a comunicação com os alunos e postar as aulas gravadas, usando os recursos anteriormente mencionados. Confira outros recursos oferecidos pela Google, como a construção de formulários (Google Forms) para serem realizados pelos alunos.
Sugerimos aulas com até 30 minutos de duração. Além disso, nem toda aula precisa gerar uma atividade avaliativa, para não sobrecarregar os alunos. As aulas virtuais também podem ser úteis para correção de exercícios e plantões de dúvidas.
Previsão para aplicação:
5 aulas (30 min./aula).
Proposta de Trabalho:
Para a sequência didática trazida neste plano sugiro o agendamento de uma aula on-line síncrona, se possível, para cada uma das 4 (quatro) etapas. As aulas podem ocorrer por meio da plataforma Jitsi Meet, organizando os conteúdos em slides e compartilhando-os com os alunos com o uso do recurso do compartilhamento de tela do seu computador, disponível na plataforma sugerida. Se possível, assista com os alunos durante as aulas os vídeos sugeridos anteriormente, enriquecendo o debate e dando mais “vida” aos temas estudados. Ao final de cada aula, você professor (a) pode realizar um “momento desafio”, disponibilizando 1 ou 2 exercícios aos alunos, previamente elaborados no Google formulário e disponibilizados aos alunos por meio do Google Sala de aula. Dê alguns minutos para que realizem a atividade e encerre a aula com sua correção e um pequeno debate dos conceitos abordados, sintetizando o conteúdo. Caso a aula síncrona não seja possível, sugiro a gravação de um vídeo com a narração dos slides com o uso do Power Point e a correção dos exercícios em uma próxima aula.
1ª Etapa: O Efeito Fotoelétrico
O Efeito Fotoelétrico foi descoberto experimentalmente em 1887, pelo físico alemão Heinrich Rudolph Hertz (1857 – 1894), tendo sido elaborada uma explicação teórica satisfatória apenas em 1905, como veremos mais adiante. O Efeito Fotoelétrico consiste em uma interação da luz (radiação – ondas eletromagnéticas em geral) com a matéria.
Foi observado que, ao incidir luz de uma determinada cor (frequência) sobre uma chapa metálica¹ era possível arrancar elétrons de tal material. Até o final do século XIX, todos os fenômenos elétricos e magnéticos eram explicados pela Teoria Eletromagnética Clássica, cuja formulação teórica é comumente atribuída ao físico escocês James Clerk Maxwell (1831 – 1879).
Entretanto, ao se aplicar tal teoria na tentativa de explicar o Efeito Fotoelétrico, algumas incongruências foram encontradas, revelando um desacordo entre o que a teoria clássica previa e o que era observado experimentalmente.
¹ A maioria dos metais possui elétrons livres na sua superfície, que podem ser arrancados, se forem submetidos a condições específicas.
2ª Etapa: Previsões clássicas x observações experimentais
Para a Teoria Eletromagnética Clássica, a luz só pode ser tratada como uma onda eletromagnética e, baseando-se nos conceitos e fundamentos de tal teoria clássica, esperava-se que o Efeito Fotoelétrico exibisse algumas características, dentre as quais:
• O efeito deveria ocorrer para qualquer cor da luz², ou melhor, para qualquer frequência das ondas eletromagnéticas, desde que a intensidade da luz fosse suficiente;
• A energia cinética (energia de movimento) dos elétrons deveria aumentar à medida que aumentasse a intensidade da luz incidente sobre a placa metálica; e
• Deveria ser observado um intervalo de tempo entre o instante em que a luz atinge o metal e o momento em que os elétrons começam a ser arrancados do material.
Entretanto, o que se observou experimentalmente foi:
• O efeito não ocorre para qualquer frequência de onda eletromagnética (para qualquer cor);
• A energia de movimento (energia cinética) dos elétrons não depende da intensidade da luz que incide sobre o material (metal);
• Não há um intervalo de tempo mensurável entre o instante em que a luz atinge o material e o momento em que os elétrons começam a ser arrancados, ou seja, a interação ocorre muito rapidamente; e
• Para cada tipo de material (metal) existe uma frequência mínima para que o fenômeno ocorra.
² Neste contexto, quando se fala de “luz”, está se referindo a qualquer tipo de onda eletromagnética, mesmo as que não são visíveis a olho nu.
3ª Etapa: A explicação de Einstein
Baseando-se no trabalho que o físico alemão Max Planck (1858 – 1947) publicou em 1900, e consciente das divergências entre as previsões da Teoria Eletromagnética Clássica e as observações experimentais, em 1905 Albert Einstein (1879 – 1955) apresentou um modelo teórico completamente novo para explicar o Efeito Fotoelétrico.
Einstein postulou que, para explicar o Efeito Fotoelétrico, a luz deveria ser tratada como sendo composta por pequenos pacotes de energia³, posteriormente chamados de fótons. Portanto, Einstein estava tratando a luz como sendo composta por partículas.
Além disso, Einstein assumiu que cada pacote de luz (fóton) possui uma quantidade de energia (E) específica, que depende exclusivamente da sua frequência (f) e de uma constante de proporcionalidade, a Constante de Planck⁴ (h).
Assim, a energia de um determinado fóton pode ser determinada a partir da seguinte equação:
Einstein postulou, ainda, que a luz só pode interagir com os elétrons de forma “quantizada” ⁵, ou seja, que a luz só pode fornecer energia para os elétrons em pacotes, cujo valor seria hf.
Isso significa que, ou o elétron absorve toda a energia do fóton, ou ele não absorve nada. Ou seja, o elétron não pode absorver qualquer valor de energia. A energia passa a ser uma grandeza física “quantizada”, e não mais contínua, como anteriormente, na teoria clássica.
A partir de agora, as interações da matéria (elétron) com a radiação (fóton), passam a ser consideradas fenômenos que envolvem a absorção e a emissão de fótons.
Com essa abordagem, Einstein conseguiu explicar todas as observações experimentais relacionadas ao Efeito Fotoelétrico, que a Teoria Eletromagnética Clássica não conseguia explicar, além de conseguir prever um resultado completamente novo, que posteriormente foi verificado experimentalmente pelo físico americano Robert Millikan⁶ (1868 – 1955).
³ Planck havia adotado uma postura semelhante para explicar o fenômeno da Radiação de Corpo Negro. Contudo, Einstein generalizou tal abordagem para todos os tipos de radiações, ou seja, para todas as ondas eletromagnéticas.
⁴ Atualmente, o valor da Constante de Planck é considerado como h =〖6,63 x 10〗^(-34) J.s .
⁵ A palavra “quântica” tem origem na palavra quantum, que em latim significa pacote. O plural de quantum é quanta. Portanto, quanta = pacotes.
⁶ Curiosamente, Millikan era contra a teoria de Einstein sobre o Efeito Fotoelétrico. Inicialmente, ele estava tentando mostrar que Einstein estava errado, mas acabou provando o contrário, em 1914. Graças à comprovação experimental do resultado previsto por Einstein, e também devido aos seus trabalhos sobre a determinação das cargas elétricas elementares, Millikan recebeu o Prêmio Nobel de Física de 1923.
4ª Etapa: O Prêmio Nobel de Física de 1921
Em 1905, Albert Einstein publicou diversos trabalhos, todos eles extremamente relevantes para variadas áreas da Física.Nesse ano, além do seu artigo sobre o Efeito Fotoelétrico, ele também publicou os artigos que deram origem à Teoria da Relatividade (Restrita), sua obra mais famosa.
Mas foi graças ao seu trabalho sobre o Efeito Fotoelétrico que, em 1921, ele foi agraciado com o Prêmio Nobel de Física, que a maioria das pessoas acredita ter sido recebido em razão da Teoria da Relatividade (Restrita e Geral), mas não foi.
Alguns historiadores da Ciência argumentam que ele não recebeu o prêmio pelas suas Teorias da Relatividade (Especial e Geral) devido ao seu caráter “polêmico”. Embora elas já tivessem sido verificadas e confirmadas experimentalmente, parte da comunidade científica considerava-nas muito “revolucionárias”, pois mudavam totalmente o significado de conceitos bastante enraizados na Física, tais como os conceitos de espaço e de tempo, e também promoveram uma concepção de mundo (Universo) completamente nova. É possível, até mesmo, que muitos dos físicos da época não as compreendessem por completo, razão pela qual agiam com um certo receio diante de tais teorias.
É importante destacar também que, devido ao seu trabalho sobre o Efeito Fotoelétrico, Einstein é considerado um dos “pais” da Física Quântica, o que é bastante curioso, já que ele sempre foi um crítico ferrenho de tal teoria.
Um aspecto de significativa relevância diz respeito ao fato de que, devido à interpretação corpuscular para a luz no Efeito Fotoelétrico, até mesmo as críticas de Einstein contribuíram para o desenvolvimento da teoria quântica. Isso porque ele foi capaz de enxergar a essência dos conceitos revolucionários dessa teoria, e os esforços dos físicos que construíram a Física Quântica para superar as suas críticas promoveram um amadurecimento bastante significativo da teoria quântica.
Plano de aula elaborado pelo Professor Elves Silva Moreira
Adaptação para o ensino remoto elaborada pela Prof.ª Dr.ª Nathalie Lousan
Materiais Relacionados
• Para ver conteúdos sobre o Efeito Fotoelétrico
Brasil Escola
Acesso em: 19 de fevereiro de 2021.
Toda Matéria
Acesso em: 19 de fevereiro de 2021.
Mundo Educação
Acesso em: 19 de fevereiro de 2021
Efeito Fotoelétrico – UFRGS
Acesso em: 19 de fevereiro de 2021.
Efeito fotoelétrico
Acesso em: 19 de fevereiro de 2021.
• Para ver vídeos sobre o Efeito Fotoelétrico:
O Efeito Fotoelétrico Explicado (Ciência Todo Dia)
Acesso em: 19 de fevereiro de 2021.
Efeito Fotoelétrico (Brasil Escola)
Acesso em: 19 de fevereiro de 2021.
Tema 01 – Luz – Experimentos
Acesso em: 19 de fevereiro de 2021.
Efeito Fotoelétrico – O Nobel de Einstein (Universo Narrado)
Acesso em: 19 de fevereiro de 2021.