Effetto fotoelettrico

L'effetto fotoelettrico, che è una delle più stringenti conferme della teoria quantistica, venne scoperto dal fisico tedesco Heinrich R. Hertz nel 1887.

Egli scoprì che illuminando con raggi ultravioletti una superficie metallica questa si caricava positivamente. Successivamente il fisico tedesco Wilhelm Hallwachs scoprì che illuminando con luce ultravioletta una superficie metallica carica negativamente questa perdeva tutta la sua carica negativa; se invece la superficie era carica positivamente rimaneva carica. Le cariche negative potevano quindi lasciare una superficie isolata, mentre quelle positive non ci riuscivano.

Nel 1899 il fisico ungherese Philipp Lenard misurò il rapporto e/m delle particelle strappate alla superficie metallica e scoprì che erano elettroni.

Effetto fotoelettrico.

Leggi sperimentali che regolano l'effetto fotoelettrico

Proseguendo nei propri esperimenti Lenard trovò anche le leggi sperimentali che regolano l'effetto fotoelettrico:

1) La velocità di fuga, e quindi l'energia cinetica degli elettroni, non dipende dall'intensità del fascio di luce incidente, contrariamente a quanto prevede la teoria classica dell'elettromagnetismo.

2) La velocità degli elettroni dipende solo dalla frequenza della luce incidente e dal tipo di metallo di cui è costituita la lastra.

3) L'intensità del fascio influenza solo l'intensità della corrente.

4) Esiste una «frequenza di soglia» v, al di sotto della quale il fenomeno non si verifica. Per frequenze maggiori l'energia degli elettroni emessi aumenta in modo proporzionale alla differenza tra la frequenza della radiazione incidente e la frequenza di soglia:

Ee α (vr - vs)

La frequenza di soglia dipende dal tipo di materiale usato per realizzare la lastra.

I risultati degli esperimenti di Lenard non sono spiegabili alla luce della teoria classica dell'elettromagnetismo. La spiegazione teorica dei risultati venne data da Einstein nel 1905. Partendo dall'idea originaria di Planck, Einstein ipotizzò che l'energia non solo venga emessa o assorbita in modo discontinuo, ma si propaghi anche in modo discreto.

Secondo la teoria di Einstein quindi ogni radiazione è costituita da corpuscoli, chiamati «fotoni», ciascuno dei quali possiede una quantità di energia

Efotone = h · v

dove h è la costante di Planck e v è la frequenza della radiazione.

Sulla base di questa teoria «corpuscolare» della luce la spiegazione dell'effetto fotoelettrico è immediata. Quando un fotone colpisce un elettrone gli cede tutta la sua energia, (h·v), sotto forma di energia cinetica.

Muovendosi attraverso il metallo l'elettrone perde parte della propria energia: tale energia è una costante tipica del metallo ed è chiamata «lavoro di estrazione» (WE).

L'energia "netta" che possiede quindi un elettrone è data da

E = h · v - WE

Se la frequenza della radiazione incidente è sufficientemente elevata allora risulta

h · v > WE e quindi E > 0

L'elettrone può pertanto lasciare il metallo e la sua energia di fuga sarà tanto maggiore quanto maggiore è la frequenza della radiazione incidente.

Se invece la frequenza è troppo bassa allora risulta

h · v < WE e quindi E < 0

In tal caso l'elettrone non riesce a lasciare il metallo: rimane pertanto giustificata l'esistenza della frequenza di soglia

vs = WE / h

Una maggiore intensità della luce incidente corrisponde invece a un maggior numero di fotoni e quindi, se la frequenza della radiazione è maggiore della frequenza di soglia, a un maggior numero di elettroni emessi.

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