I fotoni

Il corpo nero

L'effetto fotoelettrico

L'effetto Compton

Esperimenti con i fotoni

Interferenza con i fotoni

  
 

L'effetto fotoelettrico

 

Un metallo, quando viene illuminato con una radiazione elettromagnetica sufficientemente energetica, emette elettroni. La spiegazione qualitativa di questo fenomeno, che prende il nome di effetto fotoelettrico, è abbastanza semplice. Gli elettroni assorbono energia dalla radiazione incidente, per poter sfuggire dalla "trappola" costituita dal metallo stesso.
Ma è possibile fornire una spiegazione più esauriente e quantitativa?

Nel 1905 Albert Einsten riprese l'ipotesti di Max Planck e riuscì a spiegare in maniera tanto semplice quanto brillante tutte le principali caratteristiche fisiche dell'effetto fotoelettrico.
Einstein suppose non solo (come aveva fatto Planck) che gli scambi di energia tra la radiazione e la materia avvengono in modo quantistico, ma che la radiazione stessa sia composta da quanti (i fotoni) di energia proporzionale alla frequenza, secondo la relazione:


dove h è la costante di Planck. Per liberarsi dal metallo un elettrone deve allora assorbire un fotone. Se il fotone è poco energetico, ovvero se la sua frequenza è troppo bassa, l'elettrone non riesce ad acquistare l'energia necessaria per sfuggire il metallo. Se, al contrario, il fotone è sufficientemente energetico, quando viene assorbito parte dell'energia viene utilizzata dall'elettrone per liberarsi dal metallo, e parte viene trasformata in energia cinetica. L'energia cinetica degli elettroni emessi dipende quindi direttamente dalla frequenza della radiazione incidente secondo la relazione


dove è il lavoro necessario per sottrarre un elettrone al metallo.


 

Grafico che mostra la dipendenza dell'energia cinetica degli elettroni emessi in funzione della frequenza della radiazione incidente.

 

Tutte le previsioni derivate dall'ipotesi di Einstein, previsioni che non sono deducibili dalla teoria ondulatoria classica dell'elettromagnetismo, trovarono ampia conferma sperimentale. La teoria quantistica della radiazione va lentamente imponendosi sulla teoria classica.




Legenda
Start/Stop = avvia/ferma l'animazione
Low intensity/High intensity = consente di scegliere l'intensità
(bassa o alta) del fascio di luce emesso dalla sorgente
Metal = consente di scegliere il metallo con cui condurre l'esperimento
Wavelength = consente di scegliere la lunghezza d'onda
del fascio di luce emesso dalla sorgente
Source = sorgente
Ammeter = amperometro
Energy of electrons = energia degli elettroni emessi dal metallo

Autore: Kingshuk Majumdar, Department of Physics, Berea College, Berea, Kentucky, USA

 

L'animazione simula l'effetto fotoelettrico per diversi metalli.

  1. Selezionare il metallo dall'elenco in alto a destra.
  2. Per far partire l'animazione selezionare il tasto Start. Spostando il cursore che indica la lunghezza d'onda si osserverà che, a un certo punto, dal metallo vengono emessi elettroni.
  3. Il cursore relativo alla lunghezza d'onda (Wavelength) consente di passare da valori piccoli (a sinistra) a valori via via più grandi (a destra).
  4. Osservare cosa succede a parità di lunghezza d'onda selezionando un diverso metallo.

Inoltre è possibile osservare che:

  • esiste una soglia al di sotto della quale non vengono emessi elettroni. Essa dipende dal materiale preso in esame, come si può osservare selezionando un diverso metallo (dal menu Metal) sul quale condurre l'esperimento. Si noti inoltre che la soglia non dipende dall'intensità della radiazione incidente;
  • diminuendo la lunghezza d'onda (ovvero aumentando la frequenza) aumenta l'energia cinetica degli elettroni emessi;
  • aumentando l'intensità, quando si è sopra la soglia, aumenta il numero dei fotoni incidenti, e quindi anche il numero degli elettroni emessi. Questo si traduce in un aumento della corrente che passa attraverso il circuito.