Effetto fotoelettrico: definizione, equazione ed esperimento

Tutto ciò che è stato appreso nella fisica classica è stato capovolto mentre i fisici esploravano regni sempre più piccoli e scoprivano effetti quantistici. Tra le prime di queste scoperte vi fu l'effetto fotoelettrico. All'inizio del 1900, i risultati di questo effetto non corrispondevano alle previsioni classiche ed erano spiegabili solo con la teoria quantistica, aprendo un mondo completamente nuovo per i fisici.

Oggi l'effetto fotoelettrico ha anche molte applicazioni pratiche. Dall'imaging medico alla produzione di energia pulita, la scoperta e l'applicazione di questo effetto ora ha implicazioni che vanno ben oltre la semplice comprensione della scienza.

Quando la luce, o radiazione elettromagnetica, colpisce un materiale come una superficie metallica, quel materiale a volte emette elettroni, chiamatifotoelettroni. Ciò è essenzialmente dovuto al fatto che gli atomi nel materiale assorbono la radiazione sotto forma di energia. Gli elettroni negli atomi assorbono le radiazioni saltando a livelli energetici più elevati. Se l'energia assorbita è sufficientemente alta, gli elettroni lasciano completamente il loro atomo di origine.

Questo processo è talvolta chiamato anchefotoemissioneperché i fotoni incidenti (altro nome per le particelle di luce) sono la causa diretta dell'emissione di elettroni. Poiché gli elettroni hanno una carica negativa, la piastra metallica da cui sono stati emessi viene lasciata ionizzata.

La cosa più speciale dell'effetto fotoelettrico, tuttavia, era che non seguiva le previsioni classiche. Il modo in cui sono stati emessi gli elettroni, il numero che sono stati emessi e come questo è cambiato con l'intensità della luce ha lasciato inizialmente gli scienziati a grattarsi la testa.

Le previsioni originali sui risultati dell'effetto fotoelettrico fatte dalla fisica classica includevano quanto segue:

1. Trasferimenti di energia dalla radiazione incidente agli elettroni. Si presumeva che qualsiasi energia incidente sul materiale sarebbe stata assorbita direttamente dagli elettroni negli atomi, indipendentemente dalla lunghezza d'onda. Questo ha senso nel paradigma della meccanica classica: qualunque cosa versi nel secchio riempie il secchio di quella quantità.
2. I cambiamenti nell'intensità della luce dovrebbero produrre cambiamenti nell'energia cinetica degli elettroni. Se si assume che gli elettroni assorbano qualsiasi radiazione incidente su di loro, allora più della stessa radiazione dovrebbe dare loro più energia di conseguenza. Una volta che gli elettroni hanno lasciato i limiti dei loro atomi, quell'energia viene vista sotto forma di energia cinetica.
3. La luce di intensità molto bassa dovrebbe produrre un intervallo di tempo tra l'assorbimento della luce e l'emissione di elettroni. Questo perché si presumeva che gli elettroni dovessero guadagnare abbastanza energia per lasciare il loro atomo di origine, e la luce a bassa intensità è come aggiungere energia al loro "secchio" di energia più lentamente. Ci vuole più tempo per riempirsi, e quindi dovrebbe volerci più tempo prima che gli elettroni abbiano energia sufficiente per essere emessi.

I risultati effettivi non erano affatto coerenti con le previsioni. Ciò includeva quanto segue:

1. Gli elettroni sono stati rilasciati solo quando la luce incidente ha raggiunto o superato una frequenza di soglia. Nessuna emissione si è verificata al di sotto di tale frequenza. Non importava se l'intensità fosse alta o bassa. Per qualche ragione, la frequenza, o lunghezza d'onda della luce stessa, era molto più importante.
2. I cambiamenti di intensità non hanno prodotto cambiamenti nell'energia cinetica degli elettroni. Hanno cambiato solo il numero di elettroni emessi. Una volta raggiunta la frequenza di soglia, aumentando l'intensità non si aggiungeva affatto più energia a ciascun elettrone emesso. Invece, sono finiti tutti con la stessa energia cinetica; ce n'erano solo di più.
3. Non c'era nessun ritardo a bassa intensità. Sembrava che non ci fosse tempo necessario per "riempire il secchio di energia" di un dato elettrone. Se doveva essere emesso un elettrone, veniva emesso immediatamente. Un'intensità inferiore non ha avuto alcun effetto sull'energia cinetica o sul tempo di ritardo; ha semplicemente provocato l'emissione di un minor numero di elettroni.

L'unico modo per spiegare questo fenomeno era invocare la meccanica quantistica. Pensa a un raggio di luce non come un'onda, ma come una raccolta di pacchetti d'onda discreti chiamati fotoni. I fotoni hanno tutti valori energetici distinti che corrispondono alla frequenza e alla lunghezza d'onda della luce, come spiegato dalla dualità onda-particella.

Inoltre, considera che gli elettroni sono in grado di saltare solo tra stati energetici discreti. Possono avere solo valori energetici specifici, ma mai valori intermedi. Ora i fenomeni osservati possono essere spiegati come segue:

1. Gli elettroni vengono rilasciati solo quando assorbono valori energetici sufficienti molto specifici. Qualsiasi elettrone che ottiene il giusto pacchetto di energia (energia fotonica) verrà rilasciato. Nessuno viene rilasciato se la frequenza della luce incidente è troppo bassa indipendentemente dall'intensità perché nessuno dei pacchetti di energia è individualmente abbastanza grande.
2. Una volta superata la frequenza di soglia, aumentando l'intensità aumenta solo il numero di elettroni rilasciato e non l'energia degli elettroni stessi perché ogni elettrone emesso ne assorbe un discreto fotone. Maggiore intensità significa più fotoni e quindi più fotoelettroni.
3. Non c'è ritardo nemmeno a bassa intensità finché la frequenza è sufficientemente alta perché non appena un elettrone ottiene il giusto pacchetto di energia, viene rilasciato. La bassa intensità produce solo un minor numero di elettroni.

Un concetto importante relativo all'effetto fotoelettrico è la funzione lavoro. Conosciuta anche come energia di legame degli elettroni, è l'energia minima necessaria per rimuovere un elettrone da un solido.

La formula della funzione lavoro è data da:

Dove-eè la carica dell'elettrone,ϕè il potenziale elettrostatico nel vuoto vicino alla superficie eEè il livello di Fermi degli elettroni nel materiale.

Il potenziale elettrostatico è misurato in volt ed è una misura dell'energia potenziale elettrica per unità di carica. Quindi il primo termine nell'espressione,-eϕ, è l'energia potenziale elettrica di un elettrone vicino alla superficie del materiale.

Il livello di Fermi può essere pensato come l'energia dell'elettrone più esterno quando l'atomo è nel suo stato fondamentale.

Strettamente correlata alla funzione lavoro è la frequenza di soglia. Questa è la frequenza minima alla quale i fotoni incidenti provocano l'emissione di elettroni. La frequenza è direttamente correlata all'energia (una frequenza più alta corrisponde a un'energia più alta), quindi perché deve essere raggiunta una frequenza minima.

Al di sopra della frequenza di soglia, l'energia cinetica degli elettroni dipende dalla frequenza e non dall'intensità della luce. Fondamentalmente l'energia di un singolo fotone sarà trasferita interamente ad un singolo elettrone. Una certa quantità di tale energia viene utilizzata per espellere l'elettrone e il resto è la sua energia cinetica. Ancora una volta, una maggiore intensità significa solo che verranno emessi più elettroni, non che quelli emessi avranno più energia.

L'energia cinetica massima degli elettroni emessi può essere trovata tramite la seguente equazione:

DoveK_maxè l'energia cinetica massima del fotoelettrone,hè la costante di Planck = 6.62607004 ×10^-34 m²kg/s,fè la frequenza della luce ef₀è la frequenza di soglia.

Si può pensare che la scoperta dell'effetto fotoelettrico avvenga in due fasi. In primo luogo, la scoperta dell'emissione di fotoelettroni da alcuni materiali come risultato della luce incidente, e in secondo luogo, la determinazione che questo effetto non obbedisce affatto alla fisica classica, il che ha portato a molte importanti basi della nostra comprensione della quantistica meccanica.

Heinrich Hertz osservò per la prima volta l'effetto fotoelettrico nel 1887 durante l'esecuzione di esperimenti con un generatore di spinterometro. L'installazione prevedeva due coppie di sfere metalliche. Le scintille generate tra il primo set di sfere indurrebbero scintille a saltare tra il secondo set, fungendo così da trasduttore e ricevitore. Hertz è stata in grado di aumentare la sensibilità della configurazione illuminandola con la luce. Anni dopo, J.J. Thompson scoprì che l'aumento della sensibilità derivava dalla luce che provocava l'espulsione degli elettroni.

Mentre l'assistente di Hertz, Phillip Lenard, determinò che l'intensità non influenzava l'energia cinetica dei fotoelettroni, fu Robert Millikan a scoprire la frequenza di soglia. In seguito Einstein riuscì a spiegare lo strano fenomeno ipotizzando la quantizzazione dell'energia.

Albert Einstein ricevette il Premio Nobel nel 1921 per la scoperta della legge della fotoelettrica photo effetto, e Millikan vinse il Premio Nobel nel 1923 anche per il lavoro relativo alla comprensione del fotoelettrico effetto.

L'effetto fotoelettrico ha molti usi. Uno di questi è che consente agli scienziati di sondare i livelli di energia degli elettroni nella materia determinando la frequenza di soglia alla quale la luce incidente provoca l'emissione. I tubi fotomoltiplicatori che sfruttavano questo effetto venivano utilizzati anche nelle vecchie telecamere.

Un'applicazione molto utile dell'effetto fotoelettrico è nella costruzione di pannelli solari. I pannelli solari sono array di celle fotovoltaiche, che sono celle che utilizzano gli elettroni espulsi dai metalli dalla radiazione solare per generare corrente. A partire dal 2018, quasi il 3% dell'energia mondiale è generata da pannelli solari, ma questo numero è dovrebbe crescere considerevolmente nei prossimi anni, soprattutto perché l'efficienza di tali pannelli aumenta.

Ma soprattutto, la scoperta e la comprensione dell'effetto fotoelettrico hanno gettato le basi per il campo della meccanica quantistica e una migliore comprensione della natura della luce.

Ci sono molti esperimenti che possono essere eseguiti in un laboratorio di fisica introduttivo per dimostrare l'effetto fotoelettrico. Alcuni di questi sono più complicati di altri.

Un semplice esperimento dimostra l'effetto fotoelettrico con un elettroscopio e una lampada UV-C che fornisce luce ultravioletta. Mettere una carica negativa sull'elettroscopio in modo che l'ago si deflette. Quindi, fai brillare la lampada UV-C. La luce della lampada rilascerà elettroni dall'elettroscopio e li scaricherà. Puoi dire che ciò accade vedendo la deflessione dell'ago che si riduce. Nota, tuttavia, che se provassi lo stesso esperimento con un elettroscopio caricato positivamente, non funzionerebbe.

Ci sono molti altri modi possibili per sperimentare l'effetto fotoelettrico. Diverse configurazioni coinvolgono una fotocellula costituita da un grande anodo che, quando colpito dalla luce incidente, rilascerà elettroni che vengono raccolti da un catodo. Se questa configurazione è collegata a un voltmetro, ad esempio, l'effetto fotoelettrico diventerà evidente quando la luce splendente crea una tensione.

Configurazioni più complesse consentono misurazioni più accurate e consentono persino di determinare la funzione di lavoro e le frequenze di soglia per materiali diversi. Vedere la sezione Risorse per i collegamenti.