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L’effetto fotoelettrico

by Adriana Carelli
fotoni

 

Nell’ultima parte del XIX secolo fu dimostrato sperimentalmente che quando la luce incide su certe superfici metalliche, queste emettono elettroni. Questo fenomeno, scoperto per primo da Hertz, è noto come . Gli elettroni emessi sono chiamati fotoelettroni.

Esperimento

Un tubo di vetro o quarzo in cui è fatto il vuoto contiene una placca metallica L, collegata al polo negativo di una batteria. Quando il tubo è mantenuto al buio, l’amperometro segna zero, questo perché non passa nessuna corrente. Tuttavia, quando la luce con una certa lunghezza d’onda illumina la placca L, l’amperometro inizia a segnare un passaggio di corrente. Questo vuol dire che c’è stato un passaggio di elettroni nello spazio vuoto tra L e M che poi sono andati in circolo nel circuito. Questa corrente è dovuta agli elettroni emessi dalla placca negativa L (emettitore) e raccolti da M (collettore).

 

immagine da matematicamente.it

Quindi quando la luce colpisce la placca L (emettitore), questa emette fotoelettroni. Gli elettroni emessi da L e raccolti in M (collettore) determinano la corrente nel circuito.

La corrente cresce al crescere dell’intensità della luce incidente.

Confronto tra teoria classica e risultati sperimentali

Le seguenti caratteristiche dell’effetto fotoelettrico in cui le previsioni fatte utilizzando l’approccio classico, cioè la teoria ondulatoria, sono confrontate con i dati sperimentali.

1) Dipendenza dell’energia cinetica dei fotoelettroni dall’intensità della luce.

  • Previsione classica: gli elettroni devono assorbire energia continuamente dall’onda elettromagnetica. Una luce più intensa deve trasferire energia nel metallo più rapidamente e gli elettroni devono essere emessi con un’energia cinetica maggiore
  • Risultato sperimentale: L’energia cinetica massima dei fotoelettroni è indipendente dall’intensità della luce incidente.

2) Tempo fra l’incidenza della luce e l’emissione dei fotoelettroni

  • Previsione classica: Per luce molto debole, deve passare un intervallo di tempo misurabile fra l’incidenza della luce e l’emissione dell’elettrone. Questo perché l’elettrone deve assorbire la radiazione per acquistare l’energia per sfuggire al metallo.
  • Risultato sperimentale: Gli elettroni vengono emessi dalla superficie quasi istantaneamente (tempo inferiore a 10-9s dopo  l’illuminazione della superficie) e questo avviene anche per bassissime intensità di luce incidente.

3)Dipendenza dell’emissione degli elettroni dalla frequenza della luce

  • Previsione classica: Gli elettroni vengono emessi per ogni frequenza di luce
  • Risultato sperimentale: Non vengono emessi elettroni se la frequenza della luce incidente cade al di sotto di una frequenza di taglio { f }_{ t }, che è caratteristica del materiale che viene illuminato.

4) Dipendenza dell’energia cinetica degli elettroni dalla frequenza della luce

  • Previsione classica: Non può esistere alcuna relazione fra la frequenza della luce e l’energia cinetica degli elettroni.
  • Risultato sperimentale: L’energia cinetica massima dei fotoelettroni cresce al crescere della frequenza della luce.

Notiamo che le ipotesi della teoria classica si sono rivelate tutte e quattro sbagliate.

Conclusioni di

Einstein spiegò con successo l’effetto fotoelettrico nel 1905. Einstein per spiegare questo fenomeno estese il concetto di Plank di quantizzazione delle onde elettromagnetiche. Egli fece l’ipotesi che la luce di frequenza potesse essere considerata come una corrente di quanti. Oggi questi quanti di luce vengono chiamati fotoni.

Ciascun fotone ha energia E = hf e si muove nel vuoto con la velocità della luce c, cioè

c =3,00\cdot { 10 }^{ 8 }\sfrac { m }{ s }

Nel modello di Einstein, un fotone della luce incidente, cede tutta la sua energia \quad hf a un singolo elettrone del metallo. Questo processo di assorbimento di energia da parte degli elettroni, non è un processo continuo, come previsto dalla teoria ondulatoria, ma è un processo discreto, in cui l’energia è fornita agli elettroni tramite pacchetti.

Gli elettroni emessi dalla superficie del metallo posseggono l’energia cinetica massima{ K }_{ max }. Secondo Einstein, l’energia massima di questi elettroni liberati è:

{ K }_{ max }= hf-\phi

dove \phi è l’energia di estrazione del metallo. L’energia di estrazione rappresenta l’energia minima con la quale un elettrone è legato al metallo ed è dell’ordine di alcuni elettronvolt.

Video di approfondimento:

 

 

 

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L’inizio della fisica atomica

La scoperta dell’elettrone

Immagine:

 

Foto di Gerd Altmann da Pixabay

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2 comments

Francesco Manlio Mirabile 10/06/2020 - 16:03

Da dove proviene la carica negativa dell’elettrone, se il fotone è neutro?

Reply
Adriana Carelli 10/06/2020 - 16:21

La carica negativa è una convenzione, l’elettrone ha carica negativa perché quella positiva ce l’ha il positrone (l’analogo di antimateria), si sarebbe potuto anche fare il contrario. Il fotone è un altro tipo di particella che non ha nè massa nè carica.
Quindi l’elettrone ha una massa e una carica negativa.
Il fotone non ha né massa né carica.
Puoi leggere anche questo: https://viaggionellascienza.it/materia/fisica/la-scoperta-dellelettrone/

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