Elettroni ad effetto fotoelettrico di materia e luce

L'effetto fotoelettrico si verifica quando la materia emette elettroni in seguito all'esposizione a radiazioni elettromagnetiche, come i fotoni di luce. Ecco uno sguardo più da vicino a ciò che l'effetto fotoelettrico è e come funziona.

Panoramica dell'effetto fotoelettrico

L'effetto fotoelettrico è studiato in parte perché può essere un'introduzione alla dualità onda-particella e alla meccanica quantistica.

Quando una superficie è esposta a energia elettromagnetica sufficientemente energetica, la luce sarà assorbita e gli elettroni saranno emessi. La frequenza di soglia è diversa per materiali diversi. È luce visibile per metalli alcalini, luce quasi ultravioletta per altri metalli e radiazione ultravioletta estrema per non metalli. L'effetto fotoelettrico si verifica con fotoni che hanno energie da pochi elettronvolt a oltre 1 MeV. Alle energie ad alto fotone paragonabili all'energia a riposo di elettroni di 511 keV, può verificarsi la dispersione di Compton la produzione di coppie può avvenire a energie superiori a 1,022 MeV.

Einstein propose che la luce consistesse in quanti, che noi chiamiamo fotoni. Ha suggerito che l'energia in ciascun quanto di luce era uguale alla frequenza moltiplicata per una costante (costante di Planck) e che un fotone con una frequenza oltre una certa soglia avrebbe energia sufficiente per espellere un singolo elettrone, producendo l'effetto fotoelettrico. Si scopre che la luce non ha bisogno di essere quantizzata per spiegare l'effetto fotoelettrico, ma alcuni libri di testo continuano a dire che l'effetto fotoelettrico dimostra la natura delle particelle di luce.

Equazioni di Einstein per l'effetto fotoelettrico

L'interpretazione di Einstein dell'effetto fotoelettrico produce equazioni valide per la luce visibile e ultravioletta:

energia del fotone = energia necessaria per rimuovere un elettrone + energia cinetica dell'elettrone emesso

hν = W + E

dove
h è la costante di Planck
è la frequenza del fotone incidente
W è la funzione di lavoro, che è l'energia minima richiesta per rimuovere un elettrone dalla superficie di un dato metallo: hν₀
E è la massima energia cinetica degli elettroni espulsi: 1/2 mv²
ν₀ è la frequenza di soglia per l'effetto fotoelettrico
m è la massa restante dell'elettrone espulso
v è la velocità dell'elettrone espulso

Nessun elettrone verrà emesso se l'energia del fotone incidente è inferiore alla funzione di lavoro.

Applicando la teoria della relatività speciale di Einstein, la relazione tra energia (E) e quantità di moto (p) di una particella è

E = [(pc)² + (mc²)²]^(1/2)

dove m è la massa di riposo della particella ec è la velocità della luce nel vuoto.

Caratteristiche principali dell'effetto fotoelettrico

• La velocità con cui vengono espulsi i fotoelettroni è direttamente proporzionale all'intensità della luce incidente, per una data frequenza di radiazione incidente e metallo.
• Il tempo tra l'incidenza e l'emissione di un fotoelettrone è molto piccolo, inferiore a 10^-9 secondo.
• Per un dato metallo, esiste una frequenza minima di radiazione incidente al di sotto della quale non si verificherà l'effetto fotoelettrico, quindi non è possibile emettere fotoelettroni (frequenza di soglia).
• Al di sopra della frequenza di soglia, la massima energia cinetica del fotoelettrone emesso dipende dalla frequenza della radiazione incidente ma è indipendente dalla sua intensità.
• Se la luce incidente è polarizzata linearmente, la distribuzione direzionale degli elettroni emessi raggiungerà il picco nella direzione della polarizzazione (la direzione del campo elettrico).

Confronto dell'effetto fotoelettrico con altre interazioni

Quando la luce e la materia interagiscono, sono possibili diversi processi, a seconda dell'energia della radiazione incidente. L'effetto fotoelettrico deriva dalla luce a bassa energia. La media energia può produrre scattering Thomson e scattering Compton. La luce ad alta energia può causare la produzione di coppie.