Há 170 anos o efeito fotoelétrico é conhecido, contudo, a compreensão do mesmo data dos trabalhos de Albert Einstein, em 1905. Mas tal efeito ainda reserva surpresas, como o demonstra um grupo de físicos alemães. Sob o efeito de feixes de laser intensos, alguns átomos não se comportam como o previsto...

Foi Antoine Becquerel, avô de Henri Becquerel, o descobridor da radioatividade, quem primeiro fez a descoberta do efeito fotoelétrico, juntamente com seu filho, em 1939. Anos mais tarde, o fenômeno foi estudado mais de perto por Philipp Lenard, que determinou a fórmula que dava a energia cinética dos elétrons ejetados de um pedaço de metal, em função da freqüência da luz incidente sobre uma placa.

Na época, o efeito era paradoxal no quadro da eletrodinâmica dos elétrons, resultando trabalhos de Maxwell, Thomson e Lorentz. De fato, a energia dos elétrons não parecia depender da intensidade da luz, em contradição com o que se pensava então dos modelos contínuos da repartição da energia luminosa e dos primeiros modelos do átomo. Foi Albert Einstein quem levou a sério a hipótese dos quanta de energia de Planck, introduzidos para obter uma derivação teórica da lei do corpo negro e também o que se escondia verdadeiramente por detrás das leis do efeito fotoelétrico descobertas por Lenard.

Seus trabalhos sobre os fundamentos da mecânica estatística e a interpretação geral da fórmula que dava a entropia de um sistema físico introduzido por Boltzmann, o tinham levado à conclusão que a luz devia necessariamente ter um aspecto granular. Sua energia era realmente sob forma de "pacotes" ligados a uma freqüência, contrariamente ao que pensava Max Planck, que não via em sua fórmula senão uma simples lei de quantificação de trocas de energia entre matéria e luz, e não uma quantificação intrínseca da energia da própria radiação. Como explicava Einstein em um artigo de 1905, que lhe valera o Prêmio Nobel de Física, de 1921, é quando um quanta de luz de uma dada freqüência possui uma energia superior a um certo limiar (dependente do metal considerado) que a emissão de um elétron é possível. De modo geral, o efeito fotoelétrico descreve a fotoionização de um átomo sob o efeito de uma radiação eletromagnética.

Albert Einstein

Créditos: Yousuf Karsh.

Um fenômeno inexplicável

Sabe-se, desde Bohr e as experiências de Franck e Hertz, que os átomos são constituídos de elétrons distribuídos sobre camadas possuindo energias de ligamento (binding energy, do inglês) determinadas. Quando a freqüência de uma radiação aumenta, a luz se torna capaz de extrair dos átomos elétrons das camadas cada vez mais profundas, ou seja: próximas do núcleo. No caso de átomos que possuem um grande número de elétrons, torna-se necessário utilizar uma radiação na fronteira do ultravioleta e dos raios X.

Tais fenômenos são bem descritos do ponto de vista teórico pela eletrodinâmica quântica. Buscando determinar o efeito de uma radiação em seus comprimentos de onda sobre um gás de átomos, os físicos não esperavam, pois, por surpresas... Foi, contudo, o que acabou de ocorrer nas pesquisas sobre a determinação experimental das forças de ionização de feixes laser sobre gases de diferentes átomos, conduzidas em Hamburgo (Alemanha).

Os físicos do Physikalisch-Techniche Bundesanstalt buscavam, realmente, obter caracterizações precisas dos efeitos sobre a matéria de um laser do tipo Flash, acrônimo de Free-Electron LASer in Hamburg, o qual se previa o uso para fotografar chips em escala nanométrica e, assim, miniaturisar ainda mais os computadores.

Os pesquisadores tiveram a chance da evidência. Utilizando feixes laser de comprimento de onda de 13 nanômetros e possuindo uma intensidade de vários petawatts por centímetro quadrado, efeitos de óptica não linear imprevistos entram em jogo no caso de certos tipos de átomos, em particular o xenônio. Assiste-se, então, à produção simultânea de vários elétrons - e não de um único - a partir de um só pacote de onda luminosa sob a ação de raios X moles.

O mecanismo exato do fenômeno não está verdadeiramente compreendido, mas essa variante do efeito fotoelétrico padrão, mais exatamente de fotoionização, mostra mais uma vez que territórios que se acreditavam bem elucidados podem ainda guardar muitos segredos.

Fotoionização do xenônio: em (a), o efeito fotoelétrico clássico num "envelope" eletrônico exterior com um fóton e um campo eletromagnético de baixa intensidade. Em (b), uma ionização em um envelope exterior é produzida por um campo eletromagnético forte, mas com um grande comprimento de onda. Em (c), uma ionização múltipla se produz nas camadas internas do xenônio, como a camada 4d, com um campo eletromagnético forte e curtos comprimentos de onda na faixa dos raios X moles. É este caso que desafia a teoria padrão.

Créditos: Physikalisch-Technische bundesanstalt.

FuturaSciences, Abril, 2009 (Tradução - MIA).

Nota do Scientific Editor: O artigo que deu origem a esta notícia, de título:"Extreme Ultraviolet Laser Excites Atomic Giant Resonance", de autoria de M. Richter, M. Ya. Amusia, S. V. Bobashev, T. Feigl, P. N. Juranic, M. Martins, A. A. Sorokin e K. Tiedtke, foi publicado na revista Physical Review Letters, volume 102, 163002 (2009),DOI: 10.1103/PhysRevLett.102.163002.

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