L'effetto fotoelettrico

L'effetto fotoelettrico è lo spostamento degli elettroni da un atomo a un altro, quando sono investiti da un fascio di luce ( fotoni ) al di sopra di una particolare frequenza di soglia.

E' una proprietà fisica di alcuni materiali.

Cos'è l'effetto fotoelettrico?

Per comprendere l'effetto fotoelettrico è utile ricorrere a un esempio pratico. L'esperimento consiste nell'inserire due lamine di metallo in un contenitore di vetro sotto vuoto.

l'esperimento con le due lamine di materiale fotoelettrico

Le due lamine sono collegate tra loro da un cavo conduttore. Quando le due lamine sono al buio, gli elettroni restano ancorati ai loro atomi e non c'è corrente elettrica sul cavo.

Se investiamo la prima lamina con un fascio luminoso, alcuni elettroni si spostano nella seconda lamina.

la radiazione elettromagnetica fa spostare gli elettroni

Lo spostamento degli elettroni genera l'elettricità.

Nota. Più alta è la quantità degli elettroni in movimento, maggiore è l'intensità della corrente elettrica nel cavo conduttore.

Il numero degli elettroni emessi dalla prima lamina ( ossia la corrente elettrica ) è proporzionale all'intensità della radiazione incidente ed è indipendente dalla frequenza della radiazione elettromagnetica.

Cos'è l'intensità incidente della luce?

L'intensità luminosa ) I ) dipende sia dal numero di fotoni che attraversa una sezione di spazio in un'unità di tempo ( lumen ) e sia dall'angolo del cono ( Ω ) del fascio luminoso.
come si calcola l'intensità luminosa

C'è però un problema, l'effetto fotoelettrico è proporzionale all'intensità luminosa ma non si verifica se la luce non supera una particolare frequenza di soglia.

se la frequenza è bassa, l'effetto fotoelettrico non si verifica

Perché nel primo fascio di luce non si verifica l'effetto fotoelettrico?

E' evidente che la discriminante è la frequenza. Il primo fascio di luce (a) è una radiazione con una frequenza troppo bassa, al di sotto della frequenza di soglia.

Viceversa, a parità di condizioni il secondo fascio (b) è una radiazione con frequenza superiore alla soglia minima.

Cos'è la frequenza di soglia?

Indipendentemente dall'intensità della luce, quando la radiazione elettromagnetica ( luce ) è al di sotto di una particolare frequenza, l'effetto fotoelettrico non si verifica.

Nota. Ogni metallo ha una propria soglia fotoelettrica ( frequenza di soglia ). Questa particolare frequenza è indicata con la variabile v0. Ad esempio, il rame ha una frequenza di soglia di 1,08 x 1015Hz mentre il ferro di 1,12 x 1015Hz.

Perché non si verifica l'effetto fotoelettrico quando la frequenza della luce è bassa?

Agli inizi del Novecento non riuscivano a trovare una spiegazione al fenomeno della soglia fotoelettrica con le leggi della fisica classica. Era necessario cercarla utilizzando altri paradigmi scientifici.

La soluzione proposta da Albert Einstein

La soluzione al problema della frequenza di soglia dell'effetto fotoelettrico venne trovata nel 1905 da Albert Einstein che, grazie a questo lavoro, ottenne anche un premio Nobel per la fisica nel 1921.

Einstein utilizzò la teoria dei quanti di Planck, secondo la quale l'energia è quantizzata in singole unità indivisibili, corpuscoli o particelle, dette quanti di energia.

esempio di fascio di luce corpuscolare

Nota. Oggi i quanti della luce sono detti fotoni. E' una particella priva di massa, con carica elettrica nulla e spin 1. Il fotone è l'unità elementare di cui è composta la radiazione elettromagnetica.

La teoria di Planck era particolarmente innovativa all'inizio del '900 perché si staccava nettamente dalla visione classica della luce come onda elettromagnetica.

Secondo Einstein, l'elettrone si stacca dall'atomo soltanto quando è investito da una particella di luce ( fotone ) con energia uguale o superiore alla forza che lega l'elettrone al nucleo dell'atomo.

la spiegazione di Einstein

In pratica, se l'energia che lega l'elettrone all'atomo è inferiore all'energia del fotone, l'elettrone si sposta e si verifica l'effetto fotoelettrico. In caso contrario, non accade nulla.

Quando si scontra l'elettrone assorbe tutta l'energia del fotone. Se l'energia ceduta è superiore al lavoro di estrazione, l'elettrone viene strappato via dal metallo.

Da cosa dipende l'energia del fotone?

Secondo Planck, il livello di energia (E) della luce è proporzionale alla frequenza (v) della radiazione elettromagnetica.

legge di Planck

Quindi, tornando la teoria di Einstein sull'effetto fotoelettrico, l'energia cinetica degli elettroni che si staccano dal nucleo è proporzionale alla differenza tra la frequenza dei fotoni e la soglia fotoelettrica del metallo ( v-v0 ).

l'effetto fotoelettrico dipende dalla frequenza

Questo livello di energia spiega perfettamente la frequenza di soglia dell'effetto fotoelettrico.

Se la frequenza della radiazione è alta, una quantità superiore di fotoni scaricano l'energia sugli elettroni del metallo. La quantità di energia assorbita dagli elettroni è maggiore.

la frequenza di soglia dell'effetto fotoelettrico

Sapendo che la frequenza della radiazione elettromagnetica ( v ) è uguale alla velocità della luce ( c ) divisa per la lunghezza d'onda ( λ )

la relazione tra frequenza e lunghezza d'onda

si può riscrivere l'equazione di Planck nel seguente modo:

la relazione tra energia cinetica degli elettroni e la lunghezza d'onda

In conclusione, essendo la velocità della luce ( c ) e la costante di Planck ( h ) due costanti, si può affermare che l'energia cinetica ( E ) degli elettroni è inversamente proporzionale alla lunghezza d'onda ( λ ) della radiazione luminosa.

Un esempio pratico

Il fascio luminoso A ha una frequenza maggiore rispetto a B, ossia una lunghezza d'onda minore. In un secondo passano molti più fotoni nel fascio luminoso A che nel fascio B.

un esempio pratico

A parità di altre condizioni ( ceteris paribus ), i fotoni del primo fascio (A) colpiscono gli elettroni del metallo con una maggiore quantità di energia.

Per questa ragione il primo fascio luminoso ( A ) supera la frequenza di soglia e dà vita all'effetto fotoelettrico, mentre il secondo fascio luminoso (B) non ci riesce.

La teoria dei quanti

La spiegazione dell'effetto fotoelettrico da parte di Einstein avvalorò indirettamente la teoria dei quanti di Planck, perché considerava la luce come un insieme corpuscolare e non solo come onde elettromagnetiche.

la luce come particelle e come onde elettromagnetiche

Albert Einstein parlava esplicitamente di interazioni tra fotoni ed elettroni, quindi di "scontri" o "urti" tra particelle.

Fu uno dei primi riconoscimenti ufficiali della teoria dei quanti e uno dei pilastri della nascente meccanica quantistica.

Quali sono le applicazioni dell'effetto fotoelettrico?

Attualmente l'effetto fotolettrico è utilizzato per la costruzione delle cellule fotoelettriche. Una sua derivazione, l'effetto fotovoltaico, è impiegato per la produzione dei pannelli solari fotovoltaici.



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