7.4: Effetto fotoelettrico

Quando la luce di una particolare lunghezza d'onda colpisce una superficie metallica, vengono emessi elettroni. Questo chiamato effetto fotoelettrico. La frequenza minima della luce che pu causare tale emissione di elettroni chiamata frequenza di soglia, che specifica del metallo. La luce con una frequenza inferiore alla frequenza di soglia, anche se di elevata intensit, non pu avviare l'emissione di elettroni. Quando per la frequenza superiore al valore di soglia, il numero di elettroni espulsi direttamente proporzionale all'intensit del fascio.

Secondo la teoria ondulatoria classica, l'energia di un'onda dipende dalla sua intensit (che dipende dalla sua ampiezza), non dalla sua frequenza. Una parte di queste osservazioni consisteva nel fatto che il numero di elettroni espulsi in un dato periodo di tempo aumentava all'aumentare della luminosit. Nel 1905, Albert Einstein riusc a risolvere il paradosso incorporando le scoperte di Planck sulla quantizzazione nella screditata visione corpuscolare della luce.

Einstein sosteneva che le energie quantizzate postulate da Planck potevano essere applicate alla luce nell'effetto fotoelettrico. La luce che colpisce la superficie metallica non dovrebbe essere vista come un'onda, ma dovrebbe essere vista invece come un flusso di particelle (in seguito chiamate fotoni) la cui energia dipende dalla loro frequenza. La quantit di energia (E) in un pacchetto di luce dipende dalla sua frequenza (ν) secondo la seguente equazione:

dove h la costante di Planck.

L'effetto fotoelettrico pu essere descritto assumendo che la luce sia quantizzata. necessaria una certa energia minima per superare l'energia di legame (Φ) sperimentata da un elettrone. Questa anche conosciuta come funzione lavoro (W) del metallo.

Poich gli elettroni nel metallo hanno una certa quantit di energia legante che li mantiene l, la luce incidente deve avere pi energia per liberare gli elettroni. I fotoni della luce a bassa frequenza non contengono abbastanza energia per espellere gli elettroni dal metallo. Anche se il metallo viene esposto a tale luce per lungo tempo, non si osserva alcuna emissione di elettroni. Un elettrone pu essere emesso solo quando un fotone con energia maggiore della funzione lavoro colpisce il metallo.

L'energia in eccesso del fotone viene convertita in energia cinetica dell'elettrone emesso.

Pertanto, gli elettroni vengono espulsi quando vengono colpiti da fotoni dotati di energia sufficiente (una frequenza maggiore della soglia). Maggiore la frequenza della luce incidente, maggiore l'energia cinetica impartita dalle collisioni agli elettroni in fuga. Einstein sosteneva inoltre che l’intensit della luce non dipendeva dall’ampiezza dell’onda in arrivo, ma corrispondeva invece al numero di fotoni che colpivano la superficie in un dato periodo di tempo. Il numero di elettroni espulsi aumenta con la luminosit. Maggiore il numero di fotoni in arrivo, maggiore la probabilit che essi entrino in collisione con alcuni elettroni.

L'effetto fotoelettrico suggerisce fortemente il comportamento delle particelle della luce. Einstein vinse il Premio Nobel per la fisica nel 1921 per la sua spiegazione dell'effetto fotoelettrico. Sebbene molti fenomeni luminosi potessero essere spiegati sia in termini di onde che di particelle, alcuni fenomeni, come le figure di interferenza ottenute quando la luce passa attraverso una doppia fenditura, erano completamente contrari alla visione corpuscolare della luce, mentre altri fenomeni, come leffetto fotoelettrico, erano completamente contrari alla visione ondulatoria della luce. In qualche modo, a un livello fondamentale e profondo non ancora del tutto compreso, la luce sia ondulatoria che particellare. Questo noto come dualit onda-particella.

Questo testo adattato da Openstax, Chemistry 2e, Section 6.1: Electromagnetic Energy.

Quando la luce di una particolare lunghezza d'onda e frequenza colpisce un metallo, gli elettroni vengono espulsi dal metallo. Questo fenomeno è noto come effetto fotoelettrico. Tuttavia, solo la luce al di sopra di una frequenza di soglia può espellere elettroni dal metallo.

La luce a bassa frequenza non emette elettroni, indipendentemente dalla sua intensità. Come è possibile? Albert Einstein suggerì che la luce si comportasse come un flusso di particelle o minuscoli pacchetti.

Un pacchetto, o quanto, di luce è chiamato fotone. Ogni fotone ha un'energia, E, che dipende dalla sua frequenza, nu. I due sono collegati da questa equazione, dove h è la costante di Planck e ha un valore di 6, 626 per 10 rispetto ai 34 joule-secondi negativi.

La luce, e quindi i fotoni, di frequenza più alta hanno una maggiore energia. Un elettrone è legato a un metallo con un'energia di legame, phi, anche conosciuta come la funzione di lavoro del metallo, W.Quindi, è necessaria una quantità di energia maggiore di W per superare le forze di attrazione e rimuovere l'elettrone. Quando un fotone con energia maggiore di W colpisce il metallo, la sua energia in eccesso viene trasferita all'elettrone come energia cinetica e l'elettrone viene espulso.

Per riassumere l'effetto fotoelettrico, la luce a bassa frequenza e lunga lunghezza d'onda non possono espellere alcun elettrone dal metallo. Aumentando l'intensità della luce a bassa frequenza aumenta solo il numero di fotoni. Ogni fotone ha ancora la stessa energia, che non è sufficiente per rimuovere gli elettroni.

La luce di lunghezza d'onda più corta con una frequenza superiore alla frequenza di soglia espelle gli elettroni perché ogni fotone è un'energia più alta. della frequenza della luce, aumenta anche l'energia del fotone e quindi l'energia cinetica dell'elettrone espulso. Maggiore è l'intensità della luce, più fotoni colpiscono il metallo e maggiore è il numero di elettroni che vengono espulsi.

L'effetto fotoelettrico dimostra il comportamento delle particelle della luce.