O efeito fotoelétrico

O Efeito Fotoelétrico é um fenómeno físico, descoberto por Heinrich Hertz em 1887, que se baseia na emissão de eletrões provenientes de material condutor quando exposto a radiação com frequência suficientemente alta. Devido à descoberta deste fenómeno surgiram as mais variadas aplicações, entre as quais os painéis fotovoltaicos.

Mas comece-se pelo princípio: todos nós somos feitos de átomos. Por sua vez, os átomos são constituídos por protões, neutrões e eletrões. Os eletrões localizam-se em orbitais, em redor do núcleo, onde estão os protões e os neutrões.
Funciona um pouco como o nosso sistema solar, em que o núcleo do átomo representa o sol, e os eletrões os planetas.
Nesta metáfora, as orbitais dos átomos correspondem à órbita do planeta (eletrão), sendo mais energéticas aquelas mais afastadas do sol (núcleo). A natureza atómica é ‘um pouco’ mais complexa, mas este é o princípio fundamental.

A cada orbital está associada uma dada energia de ligação entre o eletrão e o núcleo, mas ao contrário do sistema solar, em que os planetas permanecem nas suas órbitas, os eletrões estão constantemente a saltar entre orbitais: entre as mais próximas do núcleo – em que a energia de ligação é mais intensa – e as mais afastadas – com a energia mais próxima de zero.
Devido ao princípio de conservação de energia, esta troca entre orbitais tem de resultar em absorção – quando passa para uma orbital mais afastada do núcleo, com maior energia – ou emissão – caso contrário – de energia pelo eletrão.
Como o eletrão não pode mudar continuamente de órbita – tem de ‘saltar’ de uma para outra – a transferência de energia também não é contínua, mas sim em ‘pacotes’: os fotões.

Fazendo incidir radiação com energia suficiente sobre um material condutor – é necessário que conduza corrente elétrica para que possa haver movimento de eletrões – o eletrão que a absorver salta para fora da ação do átomo: é libertado um eletrão e surge assim uma corrente elétrica.
Ao aumentarmos a energia de cada ‘pacote’ da radiação incidente, a energia cinética do eletrão libertado aumenta, o que se traduz num aumento da corrente. Para aumentar essa energia, basta aumentar a frequência da radiação, porque a energia de cada ‘pacote’ é diretamente proporcional à frequência (cor) da radiação. Por outras palavras, como a radiação violeta tem quase o dobro da frequência da vermelha, cada fotão da primeira também tem quase o dobro da energia de cada fotão da segunda.

O efeito Fotoelétrico foi observado por Heinrich Hertz, em 1887, várias décadas antes de se conhecer a estrutura atómica. Enquanto estudava a natureza eletromagnética da luz, reparou que eléctrodos iluminados pela luz ultravioleta criavam “faíscas” com maior facilidade.
Esta observação levou a várias tentativas de explicação do fenómeno, como o trabalho realizado por Wilhelm Hallwachs, em 1888, em que demonstrou que placas de metal irradiadas por luz ultravioleta ficavam carregadas positivamente (perdiam eletrões).
Em 1903, Lenard provou que a energia dos eletrões emitidos não dependia da intensidade da luz.

Em 1905, inspirado por estas descobertas e pela explicação de Planck para a radiação do corpo negro, Einstein teorizou que a luz era formada pelos tais pacotes de energia: os fotões. De facto, isso não era necessário para explicar os resultados, e a existência do fotão só foi universalmente aceite duas décadas depois, com a observação do efeito de Compton.
Para o efeito fotoelétrico, era apenas necessário que a radiação trocasse energia daquela forma quantificada. É como dizer que se pode, hipoteticamente, ter qualquer quantidade de dinheiro no banco, mas apenas se pode trocar usando notas (‘pacotes’ monetários), o que não é o mesmo que dizer que o dinheiro é feito de notas, mas das duas formas explica-se igualmente como é que com uma nota se consegue comprar um Ferrari (de brincar!).

Antes de 1905, não se percebia porque é que aumentar a intensidade da radiação – usando uma lâmpada mais potente – não era solução para arrancar eletrões do material, nem porque é que isso se conseguia mudando a cor da lâmpada.
Einstein explicou-o: não interessa quantos pacotes são enviados, mas sim a energia de cada um. Um eletrão ou absorve um fotão ou não, não pode absorver dois de menor energia para ‘compensar’.
Também não se percebia como é que uma fonte pouco intensa conseguia arrancar eletrões tão rapidamente, julgava-se que era necessário algum tempo para acumular energia suficiente até isso acontecer, mas a explicação do cientista alemão também resolveu esse problema.
Einstein ganhou o Prémio Nobel da Física em 1921, não pela sua descoberta da relação entre a massa e a energia nem pela relatividade de medições de tempos e distâncias, mas pelo seu trabalho nesta área.

Atualmente, o efeito fotoelétrico é usado em muitas aplicações da eletrónica.
Muito se fala do aquecimento global e da crise energética, o que leva a um aumento da importância das energias renováveis, como a energia solar. Os painéis fotovoltaicos são constituídos por placas geralmente de Silício dopado – para aumentar a sua condutividade elétrica – ou de Arseneto de Gálio, por terem uma energia de remoção relativamente baixa (são retirados eletrões com facilidade). Esses eletrões livres são obrigados a fluir numa certa direção devido a campos elétricos de outros materiais constituintes da placa, e pode-se aumentar o rendimento usando díodos – componente eletrónico que obriga a corrente elétrica a fluir num sentido.

As células fotovoltaicas também podem ser usadas como sensor de intensidade luminosa.
Usando uma resistência elétrica com material de células fotoelétricas obtém-se uma resistência cujo valor depende da quantidade de luz, podendo assim usá-las como sensores da intensidade luminosa. Isto torna possível outra aplicação deste fenómeno físico: regular o brilho. Se ficar muito escuro acendem-se as luzes (e o ecrã do Smartphone fica mais iluminado); se houver muita luz, esta baixa de forma automática, diminuindo o consumo.
Os sensores de intensidade luminosa têm muitas outras aplicações, como portas automáticas, elevadores e dispositivos de segurança (ex. na indústria, para desligar o equipamento se alguma parte do corpo de um operário se encontrar em zona de perigo).
Em laboratório, também se usa este tipo de sensores para um maior controlo da intensidade em experiências que depende deste factor.

Mas, para além de abrir portas, o efeito fotoelétrico é fundamental para coisas tão díspares como a obtenção de energia dos satélites (comunicações), converter radiação em sinais elétricos (fotomultiplicadores, fundamentais em vários ramos de investigação) ou técnicas de imagem em medicina (PET, RMN).

Tudo isto só é possível por causa de Hertz e Einstein.

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Artigo de Ricardo Antunes para a revista Horizon, referida neste post, e que nos deu autorização para reproduzirmos no AstroPT