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Questão 11 do ITA 2019

1ª fase · Física · Física: Física quântica: fóton e efeito fotoelétrico

Dentro de uma câmara de vácuo encontra-se um o filamento F aquecido por meio de uma fonte elétrica externa de d.d.p. V_1. A radiação emitida por F atinge o eletrodo metálico E_1, que passa a emitir elétrons que podem ser coletados no eletrodo E_2, acarretando a corrente I medida num amperímetro. Uma segunda fonte externa, de d.d.p. V_2, é conectada ao circuito conforme ilustrado na figura. Um obstáculo O impede que E_2 receba radiação do filamento F. Analise as seguintes afirmações:

I. A corrente I aumenta sempre que V_2 aumenta e tende a um valor assintótico I_{max}.

II. Toda a radiação que incide em E_1 pode causar ejeção de elétrons.

III. Para certo valor V_2 < 0, é possível obter uma corrente I invertida em relação ao sentido mostrado na figura.

IV. É possível ter I \ne 0 para V_2 = 0 com I dependente de V_1.

Esquema de uma câmara de vácuo com os eletrodos E₁ e E₂ na parte superior e o filamento F na parte inferior. O filamento está ligado à fonte externa V₁. Setas onduladas, identificadas como “Radiação”, partem do filamento em direção a E₁. Um obstáculo horizontal O está entre o filamento e E₂. Os eletrodos estão conectados por um circuito externo contendo a fonte V₂ e um amperímetro A; uma seta indica a corrente I para a direita no trecho acima de E₂. Na fonte V₂, a placa longa está à direita; na fonte V₁, a placa longa está à esquerda.

Estão corretas

  1. A
    todas as afirmações.
  2. B
    apenas I, II e III.
  3. C
    apenas I e IV.
  4. D
    apenas II e IV.
  5. E
    apenas I, II e IV.
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Resolução comentada

O fenômeno é o efeito fotoelétrico: um fóton pode arrancar um elétron do metal se sua energia superar a função trabalho \phi. A energia cinética máxima dos elétrons emitidos é dada por

K_{\max}=hf-\phi.

I é correta. Pela polaridade indicada, aumentar V_2 torna E_2 mais positivo em relação a E_1, favorecendo a coleta dos elétrons emitidos. A corrente cresce até a saturação I_{\max}: quando todos os fotoelétrons disponíveis são coletados, aumentar a tensão não produz mais elétrons.

II é falsa. A radiação do filamento contém diferentes frequências. Somente fótons com hf\geq\phi, isto é, com frequência acima do limiar fotoelétrico, podem provocar a ejeção. Portanto, nem toda a radiação incidente é capaz de fazê-lo.

III é falsa. Uma tensão negativa dificulta a chegada dos elétrons a E_2 e pode anular a corrente, mas não invertê-la. O obstáculo impede a iluminação de E_2, que não atua como fonte de fotoelétrons nesse modelo.

IV é correta. Mesmo com V_2=0, elétrons emitidos com energia cinética suficiente podem alcançar E_2. Alterar V_1 modifica o aquecimento do filamento e sua radiação, podendo modificar a corrente fotoelétrica.

Logo, estão corretas apenas I e IV. Alternativa C.

Por que as outras alternativas estão erradas

  • AInclui II e III, mas há uma frequência mínima para a emissão e a tensão negativa não inverte a corrente.
  • BInclui as falsas II e III e exclui IV, que permite corrente fotoelétrica sem tensão aplicada.
  • DConsidera II correta e exclui I, embora exista limiar fotoelétrico e a coleta aumente até a saturação.
  • EInclui II, ignorando que fótons abaixo do limiar não arrancam elétrons do metal.

Assunto: Física quântica: fóton e efeito fotoelétrico.

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Fonte: ITA 2019 · 1ª fase. Prova oficial ↗