Indicazioni su effe.o fotoele.rico

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1 Indicazioni su effe.o fotoele.rico La presentazione seguente è stata organizzata per un intervento sulla fisica moderna con laboratorio, per i docenti delle scuole superiori, che su nostra indicazione hanno acquistato il sistema divulgativo, presente anche nel materiale del totem LAB. La parte teorica era stata curata dal collega Diego Bisero, alla quale mi sono aggancitato.

2 Effe.o fotoele.rico Si irraggia un metallo e si misura la corrente estra0a in funzione del potenziale tra catodo ed anodo. Curva a con intensità di radiazione maggiore.

3 Effe.o fotoele.rico i: fotocorrente prodo0a dagli ele0roni emessi da A e misurata dall amperometro del circuito V: differenza di potenziale applicata fra A e B Curve a e b: in a l intensità di luce incidente è doppia rispe0o a b V 0 : potenziale di arresto, corrispondente ad una corrente di fotoele0roni uguale a zero (indipendente dall intensità di luce) I a,i b : correnc di saturazione, che sono proporzionali all intensità di luce incidente (tue gli ele0roni fotoemessi da A raggiungono B)

4 Effe.o fotoele.rico Quando V diventa negacva, la corrente fotoele0rica non scende mmediatamente a zero, il che indica che gli ele0roni sono emessi da A con una determinata energia cinecca. Alcuni raggiungono B nonostante la presenza del campo ele0rico che si oppone al loro movimento. Aumentando il potenziale negacvo si raggiunge V 0, POTENZIALE DI ARRESTO. L energia cinecca dei fotoele0roni più veloci è data da: K MAX = ev 0 con e carica dell ele0rone. K MAX risulta essere, sperimentalmente, indipendente dall intensità della luce ncidente.

5 Se misuro il potenziale di arresto in funzione della frequenza della radiazione incidente o0engo: Il primo esperimento di questo Cpo fu condo0o da Millikan nel 1914 (premio Nobel nel 1923). Vediamo due aspee che NON possono essere spiegac con la teoria classica ondulatoria della luce:

6 1) la teoria ondulatoria richiede che il campo elettrico oscillante associato all onda luminosa aumenti in ampiezza al crescere dell intensità luminosa. Poiché la forza esercitata sull elettrone è ee, l energia cinetica dei fotoelettroni dovrebbe aumentare se il fascio luminoso aumenta in intensità; ma dalle curve i-v si vede che K MAX = ev 0 NON dipende dall intensità luminosa; 2) per la teoria ondulatoria l effetto fotoelettrico dovrebbe avvenire per qualsiasi frequenza della radiazione incidente, a patto che questa abbia l intensità sufficiente per l emissione di un elettrone. La figura sopra mostra l esistenza di una frequenza di soglia, al di sotto della quale l effetto fotoelettrico non avviene, indipendentemente dall intensità della radiazione incidente.

7 spiegazione TEORIA QUANTISTICA DI EINSTEIN DELL EFFETTO FOTOELETTRICO Nel 1905, ben prima dell esperimento di Millikan, Einstein propone una nuova teoria e cita l effe0o fotoele0rico come un applicazione in grado di determinarne la corre0ezza. Einstein assume che l energia ele0romagnecca sia quanczzata in pacchee, localizzac in un volume piccolo di spazio. L energia resta localizzata in quesc pacchee (FOTONI) mentre viaggia con velocità c. Il contenuto energecco del fotone è connesso alla sua frequenza da: E = hν

8 Einstein assume anche che nell effe0o fotoele0rico un fotone sia completamente assorbito da un ele.rone. Quando l ele0rone viene emesso dalla superficie del metallo, la sua energia cinecca sarà: K = hν - φ dove hν è l energia assorbita dal fotone incidente e φ è l energia necessaria per rimuovere l ele0rone dal metallo.

9 Energia cinegca e funzione lavoro Alcuni ele0roni sono legac più fortemente di altri; alcuni altri perdono energia nelle collisioni prima di abbandonare la superficie. Nel caso degli ele0roni meno legac e che non perdono energia uscendo, l energia cinecca massima è: K MAX = hν - φ 0 dove φ 0 è un energia cara0eriscca del materiale, de0a funzione lavoro e definita come la minima energia necessaria per un ele0rone per a0raversare la superficie metallica e sfuggire alle forze a0raeve, che normalmente lo tengono legato al metallo.

10 Consideriamo come l ipotesi del fotone risponde alle obiezioni generate dall interpretazione classica: 1) INDIPENDENZA DI K MAX DALL INTENSITA DI ILLUMINAZIONE La teoria dei fotoni spiega bene gli esperimenc: raddoppiando l intensità della luce raddoppia il numero di fotoni e perciò la corrente fotoele0rica, ma non cambia l energia dei singoli fotoni 2) ESISTENZA DI UNA FREQUENZA DI SOGLIA Perché un ele0rone sia fotoemesso e rivelato deve essere K MAX > 0 ovvero hν - φ 0 > 0 e quindi ν > φ 0 /h ν 0 Se la frequenza viene rido0a so0o ν 0 il singolo fotone non ha energia sufficiente per l emissione di un ele0rone, indipendentemente dall intensità della radiazione (numero di fotoni).

11 Riscriviamo ora K MAX = hν - φ 0 sosctuendo ev 0 al posto di K MAX : ev 0 = hν - φ 0 che prevede una dipendenza lineare del potenziale di arresto dalla frequenza, in perfe0o accordo con l esperimento di Millikan.