07 agosto 2015

O físico e o fóton

Em agosto, o colunista Carlos Alberto dos Santos relembra o trabalho sobre o efeito fotoelétrico publicado por Albert Einstein há 110 anos e descreve o contexto científico em que o estudo foi concebido.

Responsáveis pelo surgimento do fóton, da esquerda para a direita: Planck deu o passo inicial com a quantização da energia; Einstein propôs o quantum de luz (fóton) e Compton consolidou, experimentalmente, a ideia do fóton. (fotos: Wikimedia Commons)

A biografia de Albert Einstein está recheada de fatos intrigantes. Alguns conhecidos pelo grande público, outros exagerados pelo folclore em torno da ciência e dos cientistas, e ainda há aqueles que mesmo os historiadores têm dificuldade de entender. No imaginário popular, Einstein é o criador da teoria da relatividade, e muitos acreditam que ele tenha recebido o prêmio Nobel de Física por causa dessa teoria. Excetuando físicos e historiadores, poucos sabem que, na verdade, ele criou duas teorias: a relatividade restrita, em 1905, e a relatividade geral, concluída em 1915. O Nobel, no entanto, veio por outro trabalho, sobre o efeito fotoelétrico, publicado em 1905 – seu ano miraculoso.

Os cinco trabalhos que ele publicou naquele ano tiveram um impacto tão grande, que, em sua homenagem, a Organização das Nações Unidas para a educação, a ciência e a cultura (Unesco) resolveu designar o ano de 2005 como Ano Mundial da Física. Embora muita gente mencione apenas quatro trabalhos de Einstein em 1905, houve um quinto trabalho, baseado na sua tese, aceita naquele ano.

Einstein aos 26 anos
Em 1905, seu ano miraculoso, Albert Einstein tinha apenas 26 anos. (foto: Lucien Chavan / Wikimedia Commons)

Neste ano de 2015, o trabalho que deu o Nobel a Einstein volta à pauta do dia. Isso porque a Unesco designou este ano como Ano Internacional da Luz, para comemorar várias descobertas relacionadas com a óptica e outros fenômenos luminosos, e o trabalho de Einstein sobre o efeito fotoelétrico foi essencial para chegarmos ao modelo que temos hoje sobre o comportamento da luz, que foi objeto de muita polêmica desde que Newton elaborou seu modelo corpuscular e foi contestado por Huygens e por outros, que defendiam o modelo ondulatório.

A autoridade científica de Newton fez prevalecer seu modelo durante mais de um século, até que, por volta de 1801, uma bela experiência realizada por Thomas Young resolveu a questão favoravelmente a Huygens. A experiência de Young provou que a luz era uma onda, porque os fenômenos da difração e da interferência, por ele descobertos, eram características exclusivamente ondulatórias.

A história do efeito fotoelétrico

O efeito fotoelétrico foi descoberto em 1887, por Heinrich Hertz, durante seus estudos sobre a natureza eletromagnética da luz. Mas quem mais se destacou no estudo desse fenômeno foi Philipp von Lenard, que demonstrou experimentalmente a essência do fenômeno, ou seja, que os elétrons são extraídos da superfície de um metal quando este é irradiado por luz ultravioleta. Sabe-se hoje que o fenômeno ocorre em diversos materiais e sob o efeito de diferentes tipos de radiação eletromagnética.

Essa descoberta ocorreu no momento da consolidação da teoria eletromagnética de Maxwell, que, em quatro equações, sintetizou todos os fenômenos elétricos, magnéticos e luminosos. No entanto, falharam todas as tentativas para explicar o efeito fotoelétrico com base na teoria de Maxwell. De acordo com a teoria clássica do eletromagnetismo, a energia era distribuída contínua e homogeneamente à superfície metálica, até que chegasse a uma quantidade suficiente para liberar os elétrons. Ou seja, quanto maior a intensidade da radiação, mais energéticos seriam os elétrons, uma hipótese recorrentemente negada em todos os experimentos. O mais surpreendente, no contexto da teoria clássica, era que a liberação era limitada a determinados valores da frequência da luz, isto é, havia um valor abaixo do qual nenhum elétron era liberado, qualquer que fosse a intensidade da radiação.

Representação do efeito fotoelétrico
Representação gráfica do efeito fotoelétrico. Segundo este fenômeno, os elétrons são extraídos da superfície de um metal quando este é irradiado por luz ultravioleta ou outros tipos de radiação eletromagnética. (imagem: Feitscherg / Wikimedia Commons / CC BY-SA 3.0)

Em 1905, Einstein resolveu o enigma, embora seu foco inicial não fosse o efeito fotoelétrico. Ele estava preocupado com uma contradição que havia percebido entre a quantização da energia em fenômenos térmicos, conforme a teoria introduzida por Planck em 1900, e a noção de que, na teoria eletromagnética de Maxwell, a energia é distribuída continuamente no espaço. Resolveu investigar essa questão e chegou à explicação do efeito fotoelétrico como um exemplo de aplicação da sua teoria da quantização da luz.

A luz em partículas

Assim como Planck propôs a quantização da energia, Einstein propôs a quantização da luz. Ou seja, em vez de transferir um fluxo contínuo de energia, a luz transfere sua energia em quantidades bem definidas, proporcionais à sua frequência. A essa quantidade, Einstein deu o nome de quantum de luz. É como se o feixe de luz fosse composto de partículas, ou quanta de luz (quanta é o plural de quantum). Se o quantum de luz tiver energia superior àquela que liga o elétron ao metal, a transferência dessa energia, em um evento único, liberará o elétron. Depois de liberado do seu local no interior do sólido, o elétron gastará uma parte da energia recebida do quantum de luz para chegar à superfície e se liberar totalmente do material. Então, a energia com que o elétron sai do material é a diferença entre a energia do quantum de luz e a energia gasta pelo elétron no trajeto até a superfície. Isso foi transformado no que hoje se conhece como equação do efeito fotoelétrico.

Atualmente, a constante de proporcionalidade que deve ser multiplicada à frequência para fornecer a energia do quantum de luz é a constante de Planck, mas Einstein não fez esta associação no seu primeiro trabalho, ao contrário do que sugerem praticamente todos os livros didáticos e inúmeros artigos de divulgação científica. Einstein só fez esta associação em um artigo publicado em 1909.

Outro equívoco comumente veiculado em livros didáticos e textos de divulgação científica é que a ideia do fóton nasceu com o trabalho de 1905. Na verdade, o quantum de luz de Einstein não é exatamente o fóton como hoje o conhecemos, ou seja, uma partícula associada à luz, com energia e momento bem definidos. Em 1905, o quantum de luz só tinha uma energia definida. O momento do quantum de luz só foi definido por Einstein em 1916.

Embora a equação do efeito fotoelétrico descrevesse perfeitamente os resultados experimentais, praticamente toda a comunidade científica rejeitou a ideia do físico alemão

Por outro lado, o termo fóton foi proposto em 1926 pelo físico-químico estadunidense Gilbert Newton Lewis – tanto quanto se sabe, Einstein jamais se referiu ao quantum de luz como fóton. Na palestra que Einstein proferiu na Academia Brasileira de Ciências, em 1925, intitulada “Observações sobre a situação atual da Teoria da Luz” (Ciência Hoje, v. 21, n. 124, setembro / outubro de 1996), ele usou várias expressões, como “teoria do quantum luminoso”, “quanta de luz”, “a radiação é constituída de quanta análogos a corpúsculos”, “teoria dos quanta de luz”, mas em momento algum usou a palavra fóton.

Genialidade de um jovem cientista

 

A história do quantum de luz é mais uma das marcas da genialidade de Einstein. Embora a equação do efeito fotoelétrico descrevesse perfeitamente os resultados experimentais, praticamente toda a comunidade científica rejeitou a ideia do físico alemão. A equação de Einstein indicava a possibilidade da medida da constante de Planck, que estava associada à energia do quantum.

O físico estadunidense Robert Andrews Millikan, reconhecidamente um competente experimentalista, passou 10 anos da sua vida tentando mostrar que Einstein estava errado. No entanto, obteve resultados tão precisos da constante de Planck que não apenas validou a equação de Einstein, como teve seu trabalho reconhecido na outorga do prêmio Nobel de Física de 1923. Todavia, ao longo da sua vida, raramente Millikan manifestou-se favorável à teoria do quantum de luz – reconhecia a correção da equação de Einstein, mas não acreditava na teoria.

O quantum de luz (ou o fóton) só foi reconhecido pela comunidade científica depois da descoberta do efeito Compton, em 1922. O efeito foi descoberto quando o físico estadunidense Arthur Holly Compton observou o espalhamento de raios X quando estes eram lançados contra superfícies de diferentes materiais, metálicos e não metálicos. Ele observou que, depois do choque, eram expelidos um raio X com energia menor do que o incidente e um elétron. O processo era compatível com a conservação de energia e momento se os raios X fossem considerados corpúsculos.

Jogo de bilhar: alegoria para o experimento de Compton
O choque de bolas de bilhar é uma boa analogia para o experimento do físico estadunidense Arthur Holly Compton. A bola parada faz o papel do elétron. A bola incidente é o raio X incidente. Também neste caso, a energia da bola incidente é dividida entre as duas bolas depois do choque. (foto: Guilherme Kardel / Flickr / CC BY-NC-ND 2.0)

Resumindo, 110 anos atrás, o jovem Einstein, com apenas 26 anos de idade, propôs o conceito de quantum de luz e explicou o efeito fotoelétrico. A comunidade científica internacional precisou de quase 20 anos para se convencer que ele estava certo, mas, hoje, sabemos que essa é uma grande marca da sua genialidade!

Carlos Alberto dos Santos
Professor aposentado do Instituto de Física da Universidade Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS)

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