L'effetto fotoelettrico

Scoperto da Hertz,     Heinrich Hertz  (1857 - 1894)      nel 1887, consiste nell'emissione di particelle cariche da una superficie metallica colpita dalla luce di lunghezza d'onda molto piccola. 

Fu J.J.Thomson, nel 1898, a misurare il rapporto carica/massa (q/m)per queste particelle, ottenendo lo stesso risultato da lui ottenuto per i raggi catodici e dimostrando quindi che si trattava di elettroni.

 Thomson e la scoperta dell'elettrone

     Fu poi Lenard nel 1900 ad eseguire opportuni esperimenti ed accurate misure per determinare le caratteristiche del fenomeno. 

(la tensione agli elettrodi può essere invertita di segno per frenare gli elettroni e determinare così l'energia di emissione)

I risultati sperimentali erano sconcertanti e la fisica classica (teoria elettromagnetica della luce) non era in grado in nessun modo di spiegarli:

• una sostanza mostra un effetto fotoelettrico solo se la radiazione incidente ha una frequenza superiore a un certo valore  chiamato frequenza di soglia n₀
• la corrente fotoelettrica emessa è proporzionale all'intensità della luce incidente
• l'emissione di fotoelettroni è istantanea (< 3 10^-9 s) mentre, secondo la teoria classica, con intensità della luce molto bassa un elettrone avrebbe dovuto impiegare centinaia di secondi per accumulare l'energia sufficiente per essere emesso
• l'energia cinetica massima dei fotoelettroni non dipende dall'intensità della stessa ma cresce proporzionalmente alla frequenza della luce incidente nello stesso modo per tutti i metalli

Einstein (nel 1905) applicò l'idea dei quanti d'energia (introdotti nel 1900 da Max Planck per spiegare lo spettro di radiazione del corpo nero), formulando la seguente ipotesi:

l'energia non è distribuita uniformemente su tutto il fronte d'onda, ma è come concentrata in singoli 'pacchetti d'onda' aventi energia hn (energia del quanto di luce, o fotone, incidente):

E _{max del fotoelettrone}= hn - L_{(lavoro di estrazione)}

h=6,62 10^-34 J s (costante di Planck)

L'accordo di tale relazione con i dati sperimentali risultò sorprendentemente accurato.

La teoria di Einstein spiega l'effetto fotoelettrico così:

• Non si ha emissione fotoelettrica sotto la frequenza di soglia perché il fotone non cede sufficiente energia per lasciare il metallo;

• la corrente di elettroni è proporzionale all'intensità luminosa poiché ogni fotone emette un elettrone;

• l'emissione è immediata visto che un singolo fotone trasferisce l'energia concentrata in un punto;

• l'energia cinetica massima aumenta linearmente con la frequenza (oltre il valore di soglia), perché il lavoro necessario per estrarre l'elettrone è L=hn₀ , l'energia residua può essere ceduta sotto forma di energia cinetica dell'elettrone

Per il lavoro sull'effetto fotoelettrico Einstein ricevette ne 1921 il Premio Nobel.

L'effetto fotoelettrico (Physics 2000)

Effetto fotoelettrico: esperimento virtuale