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).
Já se perguntou como ocorre o funcionamento das portas de shoppings que se abrem sozinhas? Como um sistema de iluminação pode acender e apagar sozinho? Como sistemas de alarme ligam e desligam automaticamente? Como as câmeras digitais capturam os pontos das imagens de uma só vez? Ou como funcionam os óculos de visão noturna? Perguntas como essas são respondidas e explicadas através do efeito fotoelétrico.
O Efeito Fotoelétrico foi observado por Becquerel em 1839, confirmado experimentalmente por Hertz em 1887 e sua explicação só foi dada por Albert Einstein em 1905, baseando-se, dentre outros estudos, nos quanta de energia, de Max Planck. Diferente do que muitos pensam, Einstein não foi premiado com o Nobel de Física em 1921 pelo desenvolvimento da Teoria da Relatividade, mas sim pela Lei do Efeito Fotoelétrico.
Os alunos da 3ª série do Ensino Médio estão estudando este tema, entendendo um pouco mais sobre a natureza da luz, sobre os fótons, a interação da radiação eletromagnética com a matéria, conceitos como constante de Planck e função trabalho, entre outros, para a compreensão desse importante fenômeno da Física Moderna.
Nas aulas, para melhor compreensão do Efeito Fotoelétrico, e para as discussões com os alunos, foram utilizados vídeos da série Física Universitária, da Universidade de São Paulo, que apresenta experimentos sobre o fenômeno e simulações computacionais do Phet (Physics Education Technology Project) da Universidade de Boulder do Colorado.
Conheça o simulador e o vídeo do experimento em:
//phet.colorado.edu/sims/cheerpj/photoelectric/latest/photoelectric.html?simulation=photoelectric&locale=pt