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L’effetto fotoelettrico
Le osservazioni sperimentali più importanti a sostegno della teoria quantisti-
ca riguardano l’
effetto fotoelettrico
.
Spiegato dal punto di vista teorico da Albert Einstein nel 1905, questo fe-
nomeno consiste nella capacità di alcuni metalli di emettere elettroni se colpi-
ti da una radiazione elettromagnetica. Ciò accade perché l’energia luminosa
viene acquistata dagli elettroni, che, così “eccitati”, abbandonano gli atomi.
I risultati che si ottengono dallo studio sperimentale dell’effetto fotoelettri-
co sono i seguenti (
figura 23
):
•
la velocità (ovvero l’energia cinetica) degli elettroni emessi dal metallo di-
pende solo dalla frequenza della radiazione incidente, non dall’intensità
della radiazione stessa;
•
non vi è emissione di elettroni se la frequenza della radiazione incidente è
inferiore a un valore soglia, qualunque sia l’intensità della radiazione;
•
l’emissione di elettroni è sempre istantanea, per qualsiasi intensità della ra-
diazione incidente;
•
il numero degli elettroni emessi nell’unità di tempo è direttamente propor-
zionale all’intensità della radiazione, ma non varia con la frequenza della
radiazione.
Si tratta di risultati assolutamente incompatibili con la teoria ondulatoria,
secondo la quale l’energia di una radiazione elettromagnetica dipende dalla
sua intensità: se questa aumenta, gli elettroni dovrebbero acquistare più
energia ed essere emessi dal metallo sempre più veloci; non dovrebbe esiste-
re, inoltre, un limite inferiore (soglia) di frequenza della luce, ma qualsiasi ti-
po di radiazione dovrebbe produrre, prima o poi, un’emissione di elettroni.
Se la radiazione, infine, avesse una bassa intensità, gli elettroni dovrebbero
impiegare più tempo per acquistare l’energia necessaria ad abbandonare i lo-
ro atomi. L’emissione è, invece, sempre istantanea.
Einstein, in base alla teoria quantistica, fornì una spiegazione del fenome-
no che possiamo sintetizzare come segue.
•
Ogni fotone di una radiazione di data frequenza
f
che colpisce un atomo
metallico viene assorbito da un elettrone, che quindi viene emesso. Quan-
to maggiore è l’energia
E
f
=
h f
del fotone, tanto maggiore sarà l’energia ci-
netica dell’elettrone emesso. L’intensità della luce non ha influenza sul-
l’energia dei singoli elettroni, perché corrisponde al numero di fotoni che
colpisce il metallo nell’unità di tempo, non alla loro energia.
•
Se il fotone assorbito non possiede un’energia superiore a un determinato
valore soglia, l’elettrone non raggiunge un’energia sufficiente per fuoriuscire
dagli atomi, mentre se è superiore al valore soglia l’emissione è istantanea.
•
Al crescere del numero di fotoni che colpisce il metallo (luce più intensa)
aumenta il numero di elettroni emessi, ma non aumenta l’energia cinetica
dei singoli elettroni.
Max Planck
(Kiel, 1858 - Göttingen, 1947)
Tra le più eminenti figure della fisica moderna, pose le basi della teoria dei
quanti.
Approfondì gli studi di termodinamica focalizzando l’attenzione sul proble-
ma dell’irraggiamento del “corpo nero” (un qualsiasi corpo che emette lu-
ce per riscaldamento). A partire da questi studi formulò matematicamen-
te l’ipotesi del quanto di radiazione, che gli valse il Nobel per la fisica nel
1918.
Rimase in Germania durante il nazismo e si oppose al regime di Hitler: suo fi-
glio fu condannato a morte per la partecipazione alla congiura e all’atten-
tato contro Hitler del 1944.
figura 23
Il grafico mette in relazione
l’energia cinetica degli elettroni
emessi da un metallo e la
frequenza della radiazione
elettromagnetica che colpisce la
sua superficie. Al di sotto di un
valore soglia della frequenza non
avviene alcuna emissione.
Facciamo il punto
10.
Completa le frasi.
I corpuscoli di luce sono
detti .................................... o
................................. .
La luce si comporta come
.............................. quando si
propaga e come un flusso
di .............................. quando
interagisce con la materia.
soglia
fotoelettrica
frequenza della
luce incidente
energia degli elettroni