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Effetto fotoelettrico
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Abstract

Nella fisica dello stato solido leffetto fotoelettrico è il fenomeno fisico caratterizzato dall'emissione di elettrone da una superficie, solitamente metallo, quando questa viene colpita da una radiazione elettromagnetica, ossia da fotoni aventi una certa lunghezza donda.
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Content:
Cenni storici
Content:File:Photoelectric effect.svg La scoperta dell'effetto fotoelettrico va fatta risalire alla seconda metà del XIX secolo e ai tentativi di spiegare la conduzione nei liquidi e nei gas.Nel 1887 Heinrich Rudolf Hertz, riprendendo e sviluppando gli studi di Arthur Schuster sulla scarica dei conduttori elettrizzati stimolata da una scintilla elettrica nelle vicinanze, si accorse che tale fenomeno è più intenso se gli elettrodo vengono illuminati con luce ultravioletta.Nello stesso anno Eilhard Ernest Gustav Wiedemann e Hermann Ebert stabilirono che la sede dell'azione di scarica è l'elettrodo negativo e Wilhelm Hallwachs trovò che la dispersione delle cariche elettriche negative è accelerata se i conduttori vengono illuminati con luce ultravioletta.Nei primi mesi del 1888 il fisico italiano Augusto Righi (fisico), nel tentativo di capire i fenomeni osservati, scoprì un fatto nuovo: una lastra metallica conduttrice investita da una radiazione UV si carica positivamente. Righi introdusse, per primo, il termine "fotoelettrico" per descrivere il fenomeno.Hallwachs, che aveva sospettato ma non accertato il fenomeno qualche mese prima di Righi, dopo qualche mese dimostrava, indipendentemente dall'italiano, che non si trattava di trasporto, ma di vera e propria produzione di elettricità.Sulla priorità della scoperta tra i due scienziati si accese una disputa, riportata sulle pagine del Nuovo Cimento. La comunità scientifica tagliò corto e risolse la controversia chiamando il fenomeno effetto Hertz-Hallwachs.Fu poi Albert Einstein nel 1905 a darne l'interpretazione corretta, intuendo che l'estrazione degli elettroni dal metallo si spiegava molto più coerentemente ipotizzando che la radiazione elettromagnetica fosse costituita da pacchetti di energia o quanti, poi denominati fotoni.L'ipotesi quantistica di Einstein non fu accettata per diversi anni da una parte importante della comunità scientifica, tra cui Hendrik Lorentz, Max Planck e Robert Millikan (vincitori del Premio Nobel per la fisica, rispettivamente, nel 1902, 1918 e 1923), secondo i quali la reale esistenza dei fotoni era un'ipotesi inaccettabile, considerato che nei fenomeni di Interferenza (fisica) le radiazioni elettromagnetiche si comportano come Onda."La fisica di Amaldi", vol. 3, Elettromagnetismo, fisica atomica e subatomica, ed. Zanichelli, 2012, cap. 13 (la teoria quantistica) pag. 416. L'iniziale scetticismo di questi grandi scienziati dell'epoca non deve sorprendere dato che perfino Max Planck, che per primo ipotizzò l'esistenza dei quanti (anche se con riferimento agli atomi, che emettono e assorbono "pacchetti di energia"), ritenne, per diversi anni, che i quanti fossero un semplice artificio matematico e non un reale fenomeno fisico."La fisica di Amaldi", vol. 3, cit., pag. 408. Ma successivamente lo stesso Robert Millikan dimostrò sperimentalmente l'ipotesi di Einstein sull'energia del fotone, e quindi dell'elettrone emesso, che dipende soltanto dalla frequenza della radiazione,"Fotoni pesanti" di Murphy Frederick V. e Yount David E., "Le Scienze" n. 38, ott. 1971, pag. 66. e nel 1916 effettuò uno studio sugli elettroni emessi dal sodio che contraddiceva la classica teoria ondulatoria di James Clerk Maxwell." La Fisica di Amaldi ", vol. 3, cit., pag.411.L'aspetto corpuscolare della luce fu confermato definitivamente dagli studi sperimentali di Arthur Holly Compton. Infatti il fisico statunitense nel 1921 osservò che, negli urti con gli elettroni, i fotoni si comportano come Particella (fisica) materiali aventi energia e quantità di moto che si conservano;“Fotoni pesanti”, "Le Scienze" n. 38/1971 cit. nel 1923 pubblicò i risultati dei suoi esperimenti (effetto Compton) che confermavano in modo indiscutibile l'ipotesi di Einstein: la radiazione elettromagnetica è costituita da quanti (fotoni) che interagendo con gli elettroni si comportano come singole particelle."La fisica di Amaldi", vol. 3, cit., pagg. 416 - 417. Per la scoperta dell'effetto omonimo Arthur Compton ricevette il premio Nobel nel 1927.Per i suoi studi sull'effetto fotoelettrico e la conseguente scoperta dei quanti di luce Einstein ricevette il Premio Nobel per la fisica nel 1921.
Descrizione
Content:
L'esperimento di Lenard
Content:File:apparato lenard.jpg: L'effetto fotoelettrico fu rivelato da Heinrich Rudolf Hertz nel 1887 nell'esperimento ideato per generare e rivelare le onde elettromagnetismo; in quell'esperimento, Hertz usò uno spinterometro in un circuito accordato per generare onde e un altro circuito simile per rivelarle. Nel 1900 Philipp von Lenard studiò tale effetto, trovando che la luce incidente su una superficie metallica provoca l'emissione di elettroni, la cui energia non dipende dall'intensità luminosa della luce, ma dal suo colore, cioè dalla frequenza.Quando la luce colpisce una superficie metallica pulita (il catodo C) vengono emessi elettroni. Se alcuni di questi colpiscono l'anodo A, si misura una corrente elettrica nel circuito elettrico esterno. Il numero di elettroni emessi che raggiungono l'anodo può essere aumentato o diminuito rendendo l'anodo positivo o negativo rispetto al catodo.Detta V la differenza di potenziale tra A e C, si può vedere che solo da un certo potenziale in poi (detto potenziale d'arresto) la corrente inizia a circolare, aumentando fino a raggiungere un valore massimo, che rimane costante. Questo massimo valore è, come scoprì Lenard, direttamente proporzionale all'intensità della luce incidente. Il potenziale d'arresto è legato all'energia cinetica massima degli elettroni emessi dalla relazione:\left ( \frac {1}{2} m_e v^2 \right )_{max} = e V_0dove me è la massa (fisica) dell'elettrone, v la sua velocità, e la sua carica (fisica).Ora, la relazione che lega le due grandezze è proprio quella indicata perché se V è negativo, gli elettroni vengono respinti dall'anodo, tranne se l'energia cinetica consente loro, comunque, di arrivare su quest'ultimo. D'altra parte si notò che il potenziale d'arresto non dipendeva dall'intensità della luce incidente, sorprendendo lo sperimentatore, che si aspettava il contrario. Infatti, classicamente, il campo elettrico portato dalla radiazione avrebbe dovuto mettere in vibrazione gli elettroni dello strato superficiale fino a strapparli al metallo. Usciti, la loro energia cinetica sarebbe dovuta essere proporzionale all'intensità della luce incidente e non alla sua frequenza, come sembrava sperimentalmente.
Quanto di luce
Content:Come comprese Einstein, riprendendo la teoria di Planck, l'effetto fotoelettrico evidenzia la natura quantistica della luce. Nella radiazione elettromagnetica, l'energia non è distribuita in modo uniforme sull'intero fronte dell'onda ma è concentrata in singoli quanti (pacchetti discreti) di energia, i fotoni. Un solo fotone per volta, e non l'intera onda nel suo complesso, interagisce singolarmente con un elettrone, al quale cede la sua energia. Affinché ciò si verifichi è necessario che il singolo fotone abbia un'energia sufficiente a rompere il legame elettrico che tiene legato l'elettrone all'atomo. Questa "soglia minima" di energia del fotone si determina in base alla relazione di Planck:E = h f = h \frac{c}{\lambda},dove h è la costante di Planck, f e λ sono rispettivamente la frequenza e la lunghezza donda del fotone, c è la velocità della luce.In altri termini, l'elettrone può uscire dal metallo solo se l'energia del fotone è almeno uguale al “lavoro di estrazione” (hf \ge W_e). Esiste, pertanto, una “soglia minima” di estrazione per ogni metallo, che fa riferimento o alla lunghezza d'onda o alla frequenza del fotone incidente e, quindi, alla sua energia “hf”, la quale coincide con il “lavoro di estrazione” (Wₑ).Il valore di soglia varia in base al tipo di materiale considerato (in genere metalli) e dipende, pertanto, dalle sue caratteristiche atomiche; anche il grado di purezza del metallo influisce sul valore di soglia (per tale motivo i testi o i siti specializzati riportano spesso valori di soglia differenti per lo stesso metallo).Nella tabella che segue sono riportati i valori di soglia di alcuni metalli. Il dato iniziale noto è quello del lavoro di estrazione in Elettronvolt (col. 2)I valori di col. 2 (lavoro di estrazione in eV = energia dei fotoni in eV) sono stati rilevati da: " La fisica di Amaldi ", vol. 3, elettromagnetismo, fisica atomica e subatomica, ed. Zanichelli, 2012, pag.204., che equivale al valore di soglia del fotone (in eV) incidente sul metallo considerato; i valori di soglia riportati nelle colonne 3, 4 e 5 sono stati ricavati dalle rispettive formule.VALORI DI SOGLIA PER L'EMISSIONE DI ELETTRONI DA UN METALLOTableheader:(3) E. fotoni (J)(4) frequenza (f):E(J)/h(5) lungh. d'onda (λ):c/f(6) Rad. E.M.Potassio (K)2,25 eV3,60 x 10−19J5,43 x 1014Hz552 x 10−9m:252 ;nmraggi u.v.Si precisa che: @an0:eV Spesso il parametro di soglia iniziale noto è: Con l'aumentare dell'energia dei fotoni incidenti (ossia quando aumenta “ f ”/diminuisce “ λ ”) aumenta anche l'energia cinetica degli elettroni estratti.Va in proposito sottolineato che aumentando l'intensità della radiazione elettromagnetica (ossia il numero di fotoni al secondo, di pari energia, che colpiscono l'unità di superficie) aumenta il numero degli elettroni estratti ma non la loro energia cinetica, la quale dipende esclusivamente dall'energia dei fotoni incidenti. Questa è una conseguenza della teoria quantistica di Einstein, in base alla quale ogni fotone incidente interagisce soltanto con un singolo elettrone. Infatti secondo la teoria ondulatoria classica di James Clerk Maxwell l'estrazione di elettroni dal metallo dipende dall'intensità dell'irradiamento per unità di superficie (che deve raggiungere un valore sufficiente) e prescinde, quindi, dalla frequenza della radiazione incidente (ipotesi, questa, smentita dalle evidenze sperimentali).L'effetto fotoelettrico, oggetto di studi da parte di molti fisico, è stato fondamentale per comprendere la natura meccanica quantistica della luce.Un caso particolare di effetto fotoelettrico è l'effetto fotovoltaico.
Emissione di raggi catodici tramite esposizione di corpi solidi
Content:Einstein, nel lavoro del 1905 che gli fruttò il Premio Nobel per la fisica nel 1921, fornisce una spiegazione dei fatti sperimentali partendo dal principio che la radiazione incidente possiede energia quantizzata. Infatti i fotoni che arrivano sul metallo cedono energia agli elettroni dello strato superficiale del solido; gli elettroni acquisiscono così l'energia necessaria per rompere il legame chimico: in questo senso l'ipotesi più semplice è che il fotone ceda all'elettrone tutta l'energia in suo possesso. A questo punto l'elettrone spenderà parte dell'energia per rompere il legame e parte incrementerà la sua energia cinetica che gli permetterà di arrivare in superficie e abbandonare il solido: da qui si può capire che saranno gli elettroni eccitati più vicini alla superficie ad avere la massima velocità normale alla stessa. Per questi, posto P il lavoro (che varia da sostanza a sostanza) utile all'elettrone per uscire, si avrà che l'energia cinetica è pari a::\frac {R}{N} \beta \nu - PA questo punto detta \varepsilon la carica dell'elettrone e Π il potenziale positivo del corpo e tale da impedire perdita di elettricità allo stesso (il potenziale di arresto), si può scrivere::\varepsilon \Pi = \frac {R}{N} \beta \nu - Poppure, con i simboli consueti:e V0= h ν - Pche diventa:Π E = R β ν - P'dove E è la carica di un grammo-equivalente di uno ione monovalente e P il potenziale di questa quantità.Ponendo, poi, E = 9,6 · 103, Π · 10−8 rappresenterà il potenziale in volt del corpo in caso di irradiazione nel vuoto (fisica).Ora, ponendo P = 0, ν = 1,03·1015 (limite dello spettro elettromagnetico Sole dalla parte ultravioletta), β = 4,866·10-11, si ottiene Π·107 = 4,3V: il risultato trovato è così in accordo, per quanto riguarda gli ordini di grandezza, con quanto trovato da Lenard.Si può concludere che: I risultati matematica cambiano se si rifiuta l'ipotesi di partenza (energia trasmessa totalmente):Π E + P ≤ R β νche diventa:Π E + P ≥ R β νper la fotoluminescenza, che è il processo inverso.Se poi la formula è corretta, Π(ν) riportata sugli assi cartesiani risulterà una retta con pendenza indipendente dalla sostanza. Nel 1916 Robert Millikan esegue la verifica sperimentale di tale fatto, misurando il potenziale d'arresto e trovando che questo è una retta di ν con pendenza h/e, come previsto.
Applicazioni
Content:Le normali cellule fotelettriche dei cancelli automatici funzionano basandosi sull'effetto fotoelettrico: una sorgente elettromagnetica di una cellula sorgente irradia elettromagneticamente a distanza una cellula ricevente che funge da ricevitore trasformandosi in interruttore per il sistema elettromeccanico.
Note
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Bibliografia
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Voci correlate
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Altri progetti
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Collegamenti esterni
Content:Categoria:Meccanica quantistica

References

thumb|right|Schema che illustra lemissione di elettroni da una piastra di metallo|323x323pxfisica allo stato solidofenomeno fisicoelettronimetallicaradiazione elettromagneticafotonilunghezza dondaXIX secolo1887HertzAnnalen der PhysikSchusterelettrodiWiedemannEbertHallwachs1888Augusto RighiNuovo CimentoEinstein1905elettronimetalloradiazione elettromagneticaenergiaquantifotoniEinsteinHendrik LorentzMax PlanckRobert MillikanPremio Nobel per la fisica190219181923fotoniinterferenzaradiazioni elettromagneticheondeMax PlanckquantiatomiRobert Millikanfotoneelettronefrequenza1916elettronisodioMaxwellArthur Holly Compton1921elettronifotoniparticelleenergiaquantità di moto1923effetto Comptonradiazione elettromagneticaquantielettroniArthur Comptonpremio NobelquantiluceEinsteinPremio Nobel per la fisica1921Apparato sperimentale di Lenard: Hertz1887elettromagnetichespinterometro1900Lenardsuperficieenergiaintensitàcatodoanodocorrentecircuitonumerodifferenza di potenzialecostantemassavelocitàcaricacampo elettricoradiazionefrequenzaEinsteinPlanckluceradiazione elettromagneticaenergiaquantifotonifotoneelettronefotoneelettroneatomofotonePlanckcostante di Planckfrequenzalunghezza dondavelocità della luceelettronefotonelavoro di estrazionemetallofrequenzafotonemetallilavoro di estrazioneeVfotoneenergiaeVJoulefotoniEinsteinfrequenzafotonicostante di PlanckfrequenzananometrimetrifotoniJoulefotoniJoulefotonifotoniradiazione elettromagneticafotonielettronienergia cineticafotoniteoria quantisticaEinsteinfotoneelettroneMaxwellfisiciquantisticaeffetto fotovoltaico1905Premio Nobel per la fisica1921solidolegameelettricitàionevoltvuotospettrosolarematematicifotoluminescenza1916MillikaninterruttoreMario GliozziRaggi gammaLavoro di estrazioneFotoneJouleelettronvoltCategoria:Meccanica quantisticaCategoria:Albert Einstein

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