//
you're reading...
Fisica, Scienza, Storia della scienza

La fisica quantistica – parte 1 – L’effetto fotoelettrico


Einstein credeva all’equazione di Planck (E = nhf) molto più di quanto ci credesse lo stesso Planck, e quindi decise che la luce dovesse necessariamente avere un’energia quantizzata, dipendente solo da dalla frequenza e dalla costante h. Tale energia non è nient’altro che un insieme di piccoli pacchetti di luce, chiamati fotoni come verranno chiamati in seguito. Possiamo dunque pensare ad un fascio di luce come ad un fascio di particelle: ciascuna particella, cioè ciascun fotone, trasporta l’energia h·f. È proprio questo il “modello di luce” che Einstein utilizzò per elaborare una nuova spiegazione dell’effetto fotoelettrico, che fosse coerente con i risultati sperimentali.

Effetto fotoelettrico frequenze di soglia

Dobbiamo innanzitutto considerare che gli elettroni si trovano dentro gli atomi del metallo, quindi sono – in un certo senso – legati, un po’ come la noce è protetta dentro il suo guscio. Per estrarre una noce dal guscio occorre energia, così come ne occorre per estrarre un elettrone dal metallo. La minima quantità di energia necessaria per estrarre un elettrone da un determinato metallo, si chiama “lavoro di estrazione” (L) di quel metallo. Il lavoro di estrazione varia da metallo a metallo, un po’ come varia il lavoro per estrarre noci da gusci più o meno robusti, ma esso è normalmente dell’ordine di pochi elettronvolt. L’elettronvolt è un’unità di misura dell’energia, così definita: 1 eV è l’energia cinetica acquistata da un elettrone accelerato da una differenza di potenziale pari ad 1 volt. Ogni corpo in movimento è caratterizzato da una ben precisa quantità di energia cinetica (K), proporzionale alla massa del corpo e al quadrato della sua velocità.

Ora, affinché un fascio di luce riesca ad estrarre elettroni, esso deve avere un’energia maggiore del lavoro di estrazione: vale a dire h·f > L. Risolvendo tale disequazione in funzione di f, cioè scrivendo f > L/h, si va a cercare la cosiddetta “frequenza di soglia” (f0 ), vale a dire la frequenza al di sotto della quale non si osserverà mai fotoemissione di elettroni. Questa corrisponderà al rapporto tra il lavoro di estrazione e la costante di Planck.

L’interpretazione di Einstein dell’effetto fotoelettrico si accorda con i risultati sperimentali in quanto:
Effetto fotoelettrico grafico correnti intensità di saturazione

– per espellere elettroni, il fascio di luce incidente deve avere una frequenza maggiore di un determinato valore minimo, chiamato frequenza di soglia (f0). Se la frequenza della luce è minore di f0 , non vengono espulsi elettroni, indipendentemente dall’intensità del fascio;

– nel modello di Einstein ogni fotone ha un’energia determinata unicamente dalla sua frequenza ( E = h·f , ma dato che h è una costante, possiamo sintetizzare matematicamente il legame con E = f (f), cioè l’energia è funzione solo della variabile frequenza. Pertanto intensificare un fascio di una data frequenza significa soltanto aumentare il numero di fotoni che colpiscono il metallo in un dato tempo, e non incrementare l’energia trasportata dal singolo fotone;

– se f > f0 , aumentando l’intensità non varia l’energia cinetica (K) in quanto essa dipende solo da f. Infatti K = (h·f) – L (poiché l’energia acquistata dagli elettroni espulsi e messi in movimento è pari all’energia del fascio di luce incidente meno il lavoro di estrazione necessario per espellere elettroni), che si può sintetizzare con K = f (f), cioè l’energia cinetica dipende solo dalla variabile frequenza (d’altronde h e L sono costanti, cioè numeri dati).

Grazie alla spiegazione dell’effetto fotoelettrico oggi abbiamo le fotocellule negli ascensori e le celle fotovoltaiche nei pannelli solari. Siamo debitori nei confronti di chi, come Einstein, credette fermamente nelle proprie idee. Fino al punto di vincere il premio nobel per la Fisica, proprio per la scoperta della legge relativa all’effetto fotoelettrico. I premi nobel per la Fisica 2009 sono andati a George Smith, Willard Boyle e Charles Kao: i primi due sono stati premiati proprio per l’invenzione dei sensori Ccd, che utilizzano la tecnologia basata sull’effetto fotoelettrico spiegato da Einstein.

Annunci

Informazioni su Eugenio

Parole e idee possono cambiare il mondo

Rispondi

Inserisci i tuoi dati qui sotto o clicca su un'icona per effettuare l'accesso:

Logo WordPress.com

Stai commentando usando il tuo account WordPress.com. Chiudi sessione / Modifica )

Foto Twitter

Stai commentando usando il tuo account Twitter. Chiudi sessione / Modifica )

Foto di Facebook

Stai commentando usando il tuo account Facebook. Chiudi sessione / Modifica )

Google+ photo

Stai commentando usando il tuo account Google+. Chiudi sessione / Modifica )

Connessione a %s...

In passato…

%d blogger hanno fatto clic su Mi Piace per questo: