EFFETTO FOTOELETTRICO

LA SCOPERTA DELL'EFFETTO FOTOELETTRICO

L'effetto foto elettrico fu scoperto  prima da Herz nel 1887 e soltanto nel 1900 il fisico tedesco Philipp Lenard (1862-l947) ne riprese gli studi e per le sue scoperte in questo campo  vinse il premio Nobel per la fisica.

                    

L'apparato sperimentato da Leonard è formato da: un fascio di luce monocromatica, di frequenza sufficientemente alta,che incide su di una superficie metallica all'interno di un tubo a vuoto, ed estrae da essa elettroni,che si dicono fotoelettroni. Se la differenza di potenziale V tra la superficie metallica E e un collettore C (posto anch'esso all'interno del tubo a vuoto e collegato ad un circuito)è positiva ed abbastanza grande, i fotoelettroni diventano corrente e raggiungono un valore costante di saturazione. Quando V  è negativa, il flusso di fotoelettroni non si ferma,  ma si stabilizza ad un valore di potenziale Vo (o potenziale d'arresto) che non dipende dall'intensità della luce incidente.Questo valore Vo moltiplicato per la carica elementare e, misura l'energia cinetica massima Kmax degli elettroni emessi:

Kmax=eVo

Ciò dimostra che Vo dipende solo dalla differenza di potenziale tra E e C. Inoltre, l'energia cinetica massima, cresce proporzionalmente alla frequenza della radiazione che ne provoca l'emissione, mentre non dipende dall'intensità.

Osservando poi, i valori delle lunghezze d'onda al variare del potenziale, ci si rese conto che per il valore Vo ne esisteva una ben precisa. Calcolando la frequenza  a questa determinata lunghezza d'onda si ottiene la  frequenza di soglia; cioè se la luce incidente ha un valore inferiore a questa frequenza limite, non vengono emessi fotoelettroni; semplicemente non avviene l'effetto fotoelettrico.

Proprio a questo punto la fisica classica entra in crisi, poiché, secondo la teoria ondulatoria della luce  l'effetto fotoelettrico dovrebbe avvenire per qualsiasi frequenza d'onda questa (luce incidente) possieda, purché la sua intensità sia abbastanza grande.Inoltre la teoria classica non spiega l'esistenza di una frequenza di soglia, né perché l'energia cinetica massima cresce con la frequenza della luce incidente, né come onde elettromagnetiche di bassa intensità possano concentrare su un solo elettrone l'energia necessaria per estrarlo dal metallo. A dare una spiegazione ci ha pensato il fisico Albert Einstein.

In conclusione

Una sostanza mostra un effetto fotoelettrico solo se la radiazione incidente ha una frequenza superiore alla frequenza di soglia.

La corrente fotoelettrica è proporzionale all'intensità della luce incidente.

L'emissione di fotoelettroni è istantanea.

LA TEORIA DI EINSTEIN SULL'EFFETTO FOTOELETTRICO:

L'interpretazione dell'effetto fotoelettrico, fu il lavoro che fece assegnare ad Albert Einstein, nel 1921, il premio Nobel per la fisica. La proposta di Einstein era rivoluzionaria e andava contro i principi della fisica classica: infatti egli sosteneva che  l'energia luminosa non è distribuita in modo uniforme su tutto il fronte dell'onda che avanza, ma è concentrata in pacchetti separati. Queste quantità sono ben definite e proporzionali alla frequenza f dell'onda. Il fattore di proporzionalità è una costante, indicata con h, e nota come costante di ck. Secondo questo modello quindi l'energia di un fascio di luce di frequenza f si compone di quantità discrete ciascuna di valore hf.
L'intensità di ogni singola unità elementare è chiamata quanto e rappresenta la più piccola quantità di energia luminosa della  frequenza data (In seguito un quanto di energia fu chiamato fotone).
Nell'ipotesi di Einstein l'assorbimento dell'energia da parte dell'elettrone è inteso come 'per quanti indivisibili' ed analizzando l'azione di ogni singolo fotone si accorse che questo agisce divellendo da un atomo un solo elettrone.Poiché ogni singolo processo è uguale all'altro, tutti gli elettroni divelti devono necessariamente avere la stessa energia. Di conseguenza aumentando l'intensità della luce, aumenterà il numero di fotoni e direttamente anche quello degli elettroni estratti dalla lastra, ma l'energia di ognuno di essi sarà uguale.In altre parole: detta Eo l'energia necessaria per estrarre un elettrone da un atomo, ed E=hf quella di un fotone, si ha:

hf>Eo o hf=Eo

da cui si ha

f>Eo/h o f=Eo/h

dove f rappresenta la frequenza minima o di soglia, al di sotto della quale l'effetto fotoelettrico non può avvenire.

Infine, si giunse alla conclusione che un elettrone, al quale viene fornita energia cinetica all'interno del materiale in cui si trova, avrà perso una parte di questa energia quando raggiunge la superficie. Quindi ogni elettrone deve compiere un lavoro L per abbandonare il materiale. Agli elettroni emessi dagli strati superficiali e perpendicolari alla superficie di emissione corrisponderanno le velocità più alte e l'energia cinetica massima di tali elettroni è: 

Kmax= hf-L

Si avrà così che:

L'energia cinetica è maggiore di zero solo se hf>0, quindi un elettrone può essere emesso solo quando la frequenza della luce incidente è maggiore di un certo valore f0, detto frequenza di soglia, per il quale hf0=L.

L'intensità della luce è proporzionale al numero di fotoni contenuti nel fascio luminoso, e il numero dei fotoelettroni è proporzionale al numero dei fotoni incidenti. Quindi il numero degli elettroni emessi è proporzionale all'intensità della luce.

L'energia luminosa, è concentrata in quanti.

L'equazione di Einstein prevede che più elevata è la frequenza della luce incidente, tanto maggiore è l'energia massima degli elettroni emessi. L'energia minima per liberare un elettrone è quella che serve all'elettrone stesso per uscire dalla superficie metallica, e ciò spiega perché con una frequenza minore ad un valore f0 non si può liberare alcun elettrone.

L'energia cinetica massima è quindi la differenza tra l'energia del fotone assorbito e quella che l'elettrone perde per uscire dal metallo.

La teoria dei quanti era già stata introdotta cinque anni prima dal fisico Max ck, che calcolò la costante h, cercando una relazione tra l'energia irradiata da un corpo caldo e la frequenza della radiazione emessa. La fisica classica non spiegava i fatti sperimentali. ck trovò che potevano essere interpretati solo supponendo che gli atomi varino la loro energia in modo discontinuo secondo quantità discrete. La teoria di Einstein fu in realtà un' estensione e un' applicazione della teoria quantistica di ck. Questi postulò che l'energia emessa dall'atomo in un salto quantico si presenti sotto forma di fotoni ben localizzati invece che distribuita in modo continuo in un'onda luminosa.
L'effetto fotoelettrico mise i fisici di fronte ad un nuovo problema: secondo la teoria classica la luce è costituita da onde elettromagnetiche che si proano in modo continuo nello spazio. Questa teoria spiegava i fenomeni di rifrazione, riflessione, polarizzazione e interferenza, ma non l'effetto fotoelettrico, che veniva spiegato dalla teoria di Einstein con l'ipotesi dell'esistenza di quantità discrete di energia.