Notas históricas

Hertz foi o primeiro pesquisador a observar o fenômeno fotoelétrico. Em 1887 ele investigava a natureza eletromagnética da luz quando ficou intrigado com um efeito secundário da sua experiência. Enquanto estudava faíscas produzidas pela diferença de potencial entre superfícies metálicas em um transmissor, verificou que esta faísca inicial provocava o aparecimento de outra faísca num receptor. Como este evento era de difícil observação, Hertz construiu uma cobertura em volta das superfícies metálicas para diminuir a influência da luz externa. Fazendo isso percebeu uma diminuição da intensidade da segunda faísca. Depois de uma série de experiências, descobriu que essa diminuição era provocada pela menor incidência de luz externa sobre as duas superfícies e que a luz pode ajudaria a produzir as faíscas. Ele também concluiu que esse efeito era devido apenas a luz ultravioleta, e que mais tarde foi verificado que essa conclusão não era correta.
Em 1888 Hallwachs mostrou que corpos metálicos ficam eletricamente positivos quando incidimos sobre eles uma luz ultravioleta. Em 1889, foi sugerido que a luz arrancaria grânulos metálicos da superfície do metal. Vale lembrar que essas observações são anteriores a descoberta dos elétrons, daí a grande dificuldade de conceituar simultaneamente uma partícula dita fundamental e a natureza corpuscular da radiação, de modo a compreender completamente esse tipo de experimento descrito.

J.J Thomson, descobre os elétrons em 1897 e foi o primeiro a poder afirmar que o efeito induzido pela luz ultravioleta em uma superfície metálica consistia na emissão de elétrons.
O assistente de Hertz, físico alemão Lenard, continuou seus estudos utilizando como dispositivo experimental uma ampola de vidro em alto vácuo que continham em seu interior placas de diferentes metais polidos. Em 1902 as suas principais descobertas empíricas deixaram os físicos intrigados:
- A energia cinética dos elétrons não mostrava a menor dependência em relação a intensidade da luz que incidia sobre a placa metálica,
- A energia cinética dos elétrons emitidos pela placa metálica variava com a freqüência da luz.

Essas conclusões empíricas traziam consigo uma série de inconveniente em relação a teoria ondulatória da luz. Como a energia das ondas mecânicas ou das ondas eletromagnéticas é proporcional a intensidade da onda, e essa intensidade é proporcional ao quadrado da sua amplitude, era de se esperar que bastaria uma luz com intensidade suficiente incidindo no metal para ocorrer à emissão de elétrons. No entanto, para maior parte das freqüências visíveis não há emissão de elétrons em nenhum metal, independente da intensidade da radiação. Essa situação causava confusão porque a teoria ondulatória clássica não estabelece relação entre a energia e a freqüência da onda.

Einstein propõe em 1905 uma explicação para esse efeito: “Um quantum de luz fornece toda sua energia a um único elétron”. Quantum? O que seria isso?

De acordo com Einstein, a energia de toda radiação eletromagnética não se distribui uniformemente como é previsto pela teoria ondulatória clássica. Essa energia se distribui pequenos pacotes de energia chamados de quantum de energia. O plural de quantum é quanta, que significa quantidade indivisível. Na linguagem atual a energia é quantizada. Cada pacote de energia (quantum) possuiria uma quantidade de energia bem definida, dada por: E=hf, onde f e a freqüência da onda e h a constante de Planck.

Einstein também concluiu que para um elétron abandonar um metal ele “gasta” certa energia, cujo valor é uma constante característica de cada material. Esse valor é chamado de Função Trabalho do metal. Então, de acordo com a proposta de Einstein temos: E=hf-T, onde T é a função trabalho do metal. Esta proposta explica o fato da energia cinética do elétron emitido pela placa aumentar com a freqüência. Como Einstein observou: “Se a equação estiver correta, um gráfico da energia em função da freqüência da luz incidente deve resultar numa reta, cujo coeficiente angular dever ser independente da natureza da substancia iluminada”.

Devido a limitações experimentais, Einstein teve que espera cerca de uma década para ver confirmada uma de suas previsões, a dependência linear entre energia e freqüência.

Em 1922 o premio Nobel é concedido a Einstein, como mostra o anuncio oficial: “A Albert Einstein, por seus serviços a física teórica, especialmente pela descoberta do efeito fotoelétrico”.

O artigo em que Einstein explica o efeito fotoelétrico foi publicado em 1905 na revista Annalen der Physik. Por ordem cronológica de recepção na revista, os artigos de Einstein neste ano foram:

17 de Março - O quantum de luz.
11 de Maio - Movimento browniano.
30 de Junho - Relatividade restrita.
27 de Novembro - Segundo artigo sobre relatividade restrita (dedução da famosa equação E=mc2).
19 de Dezembro - Segundo artigo sobre movimento browniano.

A ONU e UNESCO declaram 2005 como Ano Internacional/Mundial da Física em comemoração ao centenário do chamado annus mirabilis (ano mirabuloso).

Referências: