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PRÁTICA COM QUESTÕES OFICIAIS

Questão 19 (Física) do ITA 2014

Física · Física: Física quântica: fóton e efeito fotoelétrico

Texto-base das questões 01 a 20 · Física

tacional universal. c: velocidade da luz no vácuo. \hbar: constante de Planck reduzida.

Duas placas de um mesmo metal e com a mesma área de 5{,}0\text{ cm}^2, paralelas e próximas entre si, são conectadas aos terminais de um gerador de tensão ajustável. Sobre a placa conectada ao terminal negativo, faz-se incidir radiação e, por efeito fotoelétrico, aparece uma corrente no circuito, cuja relação com a tensão aplicada é explicitada no gráfico. Sabendo que a função trabalho do metal é de 4{,}1\text{ eV} e assumindo que na região de saturação da corrente todo fóton incidente sobre a placa gera um fotoelétron que é coletado, a medida da intensidade dessa radiação em \mu\text{W/cm}^2 é igual a

Esquema de um circuito elétrico com ampola contendo duas placas metálicas paralelas conectadas a um gerador de tensão ajustável com polos positivo e negativo, havendo radiação incidente sobre a placa inferior conectada ao polo negativo e corrente i indicada no condutor superior. Gráfico da Corrente i (em microamperes) versus Tensão (em volts), partindo do zero em -2,5 V e atingindo uma corrente de saturação de 10 microamperes.

  1. A
    13.
  2. B
    8,2.
  3. C
    6,6.
  4. D
    3,2.
  5. E
    1,6.
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Resolução comentada

A ideia é usar o potencial de corte para achar a energia dos fótons e a corrente de saturação para contar quantos fótons chegam por segundo.

  1. Potencial de corte: no gráfico, a corrente se anula em -2{,}5\ \text{V}. Logo, a energia cinética máxima dos fotoelétrons é K_{\text{máx}} = 2{,}5\ \text{eV}.

  2. Energia de cada fóton (efeito fotoelétrico):

    E = \phi + K_{\text{máx}} = 4{,}1 + 2{,}5 = 6{,}6\ \text{eV}

  3. Corrente de saturação: i = 10\ \mu\text{A}. Como cada fóton gera um elétron coletado, o número de fótons por segundo é n = i/e. A potência incidente é P = n\,E = (i/e)\cdot E. Com E em eV, o e cancela:

    P = i \cdot \frac{E}{e} = 10\ \mu\text{A} \times 6{,}6\ \text{V} = 66\ \mu\text{W}

  4. Intensidade (potência por área), com área de 5{,}0\ \text{cm}^2:

    I = \frac{66\ \mu\text{W}}{5{,}0\ \text{cm}^2} = 13{,}2\ \mu\text{W/cm}^2 \approx 13\ \mu\text{W/cm}^2

Alternativa A.

Por que as outras alternativas estão erradas

  • BUsa uma energia de fóton errada (cerca de 4,1 eV), ignorando a energia cinética, ou outra combinação sem sentido.
  • CDá o valor da energia do fóton em eV (6,6), sem multiplicar pela corrente nem dividir pela área corretamente.
  • DDivide a potência pela área de forma equivocada, por exemplo usando 2 vezes a área ou apenas parte da energia.
  • EValor bem menor, resultado de dividir a potência por área errada (ou usar metade da energia do fóton).

Assuntos: Física quântica: fóton e efeito fotoelétrico, Corrente elétrica.

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Fonte: ITA 2014 · Física. Prova oficial ↗