Obiettivi formativi
- Descrivere l’effetto fotoelettrico.
Sei un fan della fantascienza?
Nelle vecchie storie di fantascienza (1950), uno dei temi del viaggio spaziale era l’uso delle vele solari per la propulsione. L’idea era che la pressione del fotone dal sole avrebbe spinto la vela (come le vele del vento) e spostare l’imbarcazione spaziale. Quello che una volta era fantascienza è ora realtà come vele solari sono in fase di sviluppo e testato per i moderni viaggi spaziali.
Effetto fotoelettrico e la natura particellare della luce
Nel 1905 Albert Einstein (1879-1955) propose che la luce fosse descritta come quanti di energia che si comportano come particelle. Un fotone è una particella di radiazione elettromagnetica che ha massa zero e trasporta un quanto di energia. L’energia dei fotoni di luce è quantizzata secondo l’equazione E = hv. Per molti anni la luce era stata descritta usando solo concetti di onda, e gli scienziati addestrati in fisica classica hanno trovato questa dualità onda-particella della luce per essere un’idea difficile da accettare. Un esperimento chiave che è stato spiegato da Einstein usando la natura delle particelle di luce è stato chiamato effetto fotoelettrico.
L’effetto fotoelettrico è un fenomeno che si verifica quando la luce splendente su una superficie metallica provoca l’espulsione di elettroni da quel metallo. È stato osservato che solo alcune frequenze di luce sono in grado di causare l’espulsione di elettroni. Se la frequenza della luce incidente è troppo bassa (luce rossa, ad esempio), non sono stati espulsi elettroni anche se l’intensità della luce era molto alta o è stata brillata sulla superficie per un lungo periodo. Se la frequenza della luce era più alta (luce verde, ad esempio), gli elettroni potevano essere espulsi dalla superficie metallica anche se l’intensità della luce era molto bassa o era brillata solo per un breve periodo. Questa frequenza minima necessaria per causare l’espulsione di elettroni è indicata come frequenza di soglia.
La fisica classica non è stata in grado di spiegare l’effetto fotoelettrico. Se la fisica classica si applicasse a questa situazione, l’elettrone nel metallo potrebbe alla fine raccogliere abbastanza energia da essere espulso dalla superficie anche se la luce in arrivo era di bassa frequenza. Einstein ha usato la teoria delle particelle della luce per spiegare l’effetto fotoelettrico come mostrato nella figura seguente.
Figura 1. La luce a bassa frequenza (rossa) non è in grado di causare l’espulsione di elettroni dalla superficie metallica. A o sopra la frequenza di soglia (verde) gli elettroni vengono espulsi. La luce in entrata a frequenza ancora più elevata (blu) causa l’espulsione dello stesso numero di elettroni ma con maggiore velocità.
Figura 2. Le cellule fotoelettriche convertono l’energia luminosa in energia elettrica che alimenta questa calcolatrice.
Considera l’equazione E = hv. L’E è l’energia minima richiesta per l’espulsione dell’elettrone del metallo. Se la frequenza della luce in entrata, v, è al di sotto della frequenza di soglia, non ci sarà mai abbastanza energia per causare l’espulsione dell’elettrone. Se la frequenza è uguale o superiore alla frequenza di soglia, gli elettroni verranno espulsi.
Quando la frequenza aumenta oltre la soglia, gli elettroni espulsi si muovono semplicemente più velocemente. Un aumento dell’intensità della luce in entrata che è al di sopra della frequenza di soglia fa aumentare il numero di elettroni che vengono espulsi, ma non viaggiano più velocemente. L’effetto fotoelettrico viene applicato in dispositivi chiamati cellule fotoelettriche, che si trovano comunemente in oggetti di uso quotidiano come una calcolatrice che utilizza l’energia della luce per generare elettricità.
Sommario
- La luce ha proprietà sia di un’onda che di una particella.
- L’effetto fotoelettrico è prodotto dalla luce che colpisce un metallo e gli elettroni di dislocamento formano la superficie del metallo.
Pratica
Utilizzare il link sottostante per rispondere alle seguenti domande:
http://www.citycollegiate.com/physicsXII_photocell.htm
- Qual è il materiale che emette in questa fotocellula?
- Quali sono le cause fotoelettroni da emettere?
- La corrente aumenta o diminuisce con un aumento dell’intensità luminosa?
- Cosa succede se la luce non colpisce il catodo?
Recensione
- Quali sono le proprietà di un fotone?
- Cosa mostra l’effetto fotoelettrico sulle proprietà della luce?
- In che modo la frequenza della luce influisce sul rilascio dei fotoni?
Glossario
- cella fotoelettrica: usa l’energia della luce per generare elettricità.
- effetto fotoelettrico: un fenomeno che si verifica quando la luce brillava su una superficie metallica provoca l’espulsione di elettroni da quel metallo.
- fotone: una particella di radiazione elettromagnetica che ha massa zero e trasporta un quantum di energia.
- frequenza di soglia: frequenza minima necessaria per causare l’espulsione degli elettroni.