Crisi della Fisica Classica & Fisica Quantistica

Transcript

1 Crisi della Fisica Classica & Fisica Quantistica Guido Montagna Dipartimento di Fisica, Università di Pavia & INFN, Sezione di Pavia February 8, 2018 G. Montagna, Università di Pavia & INFN (Dipartimento Crisi della di Fisica, Università Classica di Pavia & INFN, Sezione February di Pavia 8, 2018 ) 1 / 13

2 Natura Corpuscolare della Radiazione e Fotoni G. Montagna, Università di Pavia & INFN (Dipartimento Crisi della di Fisica, Università Classica di Pavia & INFN, Sezione February di Pavia 8, 2018 ) 2 / 13

3 Effetto fotoelettrico: dispositivo sperimentale Emissione di elettroni da parte di una superficie metallica illuminata (da radiazione ultravioletta o visibile monocromatica) Una piastrina metallica (emettitore), investita dalla radiazione, è posta in un tubo a vuoto contenente un secondo elettrodo (collettore) Fra emettitore (catodo) e collettore (anodo) è applicata una d.d.p. variabile Un amperometro registra passaggio di corrente, se presente G. Montagna, Università di Pavia & INFN (Dipartimento Crisi della di Fisica, Università Classica di Pavia & INFN, Sezione February di Pavia 8, 2018 ) 3 / 13

4 Effetto fotoelettrico: curva catteristica Si studia il fenomeno in funzione 1) della frequenza della radiazione incidente 2) dell intensità di illuminazione Quantità rilevanti: I sat corrente di saturazione / V cc potenziale di arresto o di controcampo I sat numero di elettroni emessi per unità di tempo N = I sat/e V cc energia cinetica massima degli elettroni emessi E cin max = ev cc G. Montagna, Università di Pavia & INFN (Dipartimento Crisi della di Fisica, Università Classica di Pavia & INFN, Sezione February di Pavia 8, 2018 ) 4 / 13

5 Effetto fotoelettrico: caratteristiche del fenomeno Lenard (1902) In funzione della frequenza 1a) Il fenomeno ha luogo solo se la frequenza ν della radiazione incidente è maggiore di una frequenza di soglia ν 0, tipica del metallo 1b) L energia cinetica massima degli elettroni emessi è una funzione lineare della frequenza ν In funzione dell intensità di illuminazione 2a) il numero di elettroni emessi dal fotocatodo per unità di tempo e di superficie è proporzionale all intensità di illuminazione. In altri termini, variando l intensità della radiazione a parità di frequenza, varia il numero di elettroni emessi ma non la loro energia massima 2b) Quando avviene, l emissione ha luogo istantaneamente, anche per illuminazione molto bassa G. Montagna, Università di Pavia & INFN (Dipartimento Crisi della di Fisica, Università Classica di Pavia & INFN, Sezione February di Pavia 8, 2018 ) 5 / 13

6 Grafico dell effetto fotoelettrico Dipendenza dell energia cinetica massima degli elettroni emessi in funzione della frequenza della radiazione incidente, per diversi metalli G. Montagna, Università di Pavia & INFN (Dipartimento Crisi della di Fisica, Università Classica di Pavia & INFN, Sezione February di Pavia 8, 2018 ) 6 / 13

7 Fallimento della spiegazione di fisica classica Nel vuoto, un onda e.m. trasporta una densità di energia e.m. data da 1/2 (ɛ 0 E 2 + µ 0 B 2 ) = ɛ 0 E 2, a cui corrisponde un intensità istantanea data dal modulo del vettore di Poynting S = 1/µ 0 (E B) Aumentando l intensità della radiazione aumenta l energia rilasciata da onda e.m. alla superficie metallica. Perciò, dopo un certo tempo di accumulo di tale energia, si dovrebbe avere sempre emissione di elettroni, anche sotto soglia e con un certo tempo di ritardo leggi 1a) e 2b) inspiegabili La densità di energia del campo e.m. non dipende dalla frequenza legge 1b) inspiegabile Variando l intensità della radiazione varia l energia rilasciata. Di conseguenza, al variare dell intensità della radiazione, dovrebbe variare l energia degli elettroni emessi e non solo il loro numero legge 2a) inspiegabile G. Montagna, Università di Pavia & INFN (Dipartimento Crisi della di Fisica, Università Classica di Pavia & INFN, Sezione February di Pavia 8, 2018 ) 7 / 13

8 Interpretazione quantistica Einstein (1905) La radiazione e.m. di frequenza ν è costituita da granuli o quanti di radiazione, ciascuno di energia E = hν (fotoni) Effetto fotoelettrico = processo d urto fra i fotoni incidenti e gli elettroni del metallo, con assorbimento dei fotoni e della corrispondente energia da parte degli elettroni Secondo tale interpretazione, tutte le leggi dell effetto fotoelettrico sono spiegate in modo semplice ed immediato G. Montagna, Università di Pavia & INFN (Dipartimento Crisi della di Fisica, Università Classica di Pavia & INFN, Sezione February di Pavia 8, 2018 ) 8 / 13

9 Effetto fotoelettrico: verifica di Millikan Millikan (1916) Il valore misurato da Millikan per la costante di Planck, dalla pendenza della curva che riporta l energia massima dei fotoelettroni in funzione della frequenza, è in eccellente accordo con il valore derivato dallo spettro di radiazione di corpo nero G. Montagna, Università di Pavia & INFN (Dipartimento Crisi della di Fisica, Università Classica di Pavia & INFN, Sezione February di Pavia 8, 2018 ) 9 / 13

10 Effetto Compton: esperimento Compton (1923) un fascio monocromatico di raggi X, di lunghezza d onda λ, viene fatto incidere su un blocchetto di grafite (atomi di carbonio) che funge da bersaglio si misura la lunghezza d onda λ della radiazione diffusa, al variare dell angolo di scattering θ. si verifica che la variazione di lunghezza d onda λ λ non dipende dal materiale del bersaglio e dall energia della radiazione incidente G. Montagna, Università di Pavia & INFN (Dipartimento Crisi della di Fisica, Università Classica di Pavia & INFN, Sezione February di Pavia 8, 2018 ) 10 / 13

11 Effetto Compton: dati sperimentali λ λ = Å (1 cos θ) Å Ångstrom = m Legge universale dello spostamento Compton G. Montagna, Università di Pavia & INFN (Dipartimento Crisi della di Fisica, Università Classica di Pavia & INFN, Sezione February di Pavia 8, 2018 ) 11 / 13

12 Esperimento di Compton e Simon Bothe e Geiger (1925) / Compton e Simon (1925) Osservazione dell effetto in camera a nebbia di Wilson: camera ermetica contenente gas soprassaturo che rileva il passaggio di particelle cariche per ionizzazione i raggi X risultano invisibili perché scarsamente ionizzanti si osserva una traccia dovuta al moto di rinculo di un elettrone investito dalla radiazione incidente e un ulteriore traccia di un secondo elettrone strappato ad un atomo dalla radiazione diffusa G. Montagna, Università di Pavia & INFN (Dipartimento Crisi della di Fisica, Università Classica di Pavia & INFN, Sezione February di Pavia 8, 2018 ) 12 / 13

13 Spiegazione classica e quantistica Spiegazione classica Radiazione e.m. incidente di frequenza ν induce negli elettroni vibrazioni di uguale frequenza gli elettroni irradiano onde e.m. della stessa frequenza lo spostamento non può essere spiegato Spiegazione quantistica (Compton) Urto elastico di un fotone contro un elettrone libero a riposo λ C = h m e c = Å Lunghezza d onda Compton dell elettrone G. Montagna, Università di Pavia & INFN (Dipartimento Crisi della di Fisica, Università Classica di Pavia & INFN, Sezione February di Pavia 8, 2018 ) 13 / 13