L'effetto fotoelettrico

Il effetto fotoelettrico rappresentò una sfida significativa per lo studio dell'ottica nell'ultima parte del 1800. Ha sfidato il teoria delle onde classiche di luce, che era la teoria prevalente del tempo. Fu la soluzione a questo dilemma della fisica che catapultò Einstein in una posizione di rilievo nella comunità della fisica, guadagnandosi infine il premio Nobel del 1921.

Qual è l'effetto fotoelettrico?

Annalen der Physik

Quando una fonte di luce (o, più in generale, radiazione elettromagnetica) è incidente su una superficie metallica, la superficie può emettere elettroni. Gli elettroni emessi in questo modo sono chiamati fotoelettroni (anche se sono ancora solo elettroni). Questo è raffigurato nell'immagine a destra.

Impostazione dell'effetto fotoelettrico

Amministrando un potenziale di tensione negativa (la scatola nera nella foto) al collettore, ci vuole più energia per gli elettroni per completare il viaggio e iniziare la corrente. Il punto in cui nessun elettrone arriva al collettore è chiamato arresto potenziale V_S, e può essere usato per determinare la massima energia cinetica K_max degli elettroni (che hanno carica elettronica e) usando la seguente equazione:

K_max = eV_S

La spiegazione dell'onda classica

Funzione Ii phiPhi

Tre previsioni principali derivano da questa spiegazione classica:

1. L'intensità della radiazione dovrebbe avere una relazione proporzionale con l'energia cinetica massima risultante.
2. L'effetto fotoelettrico dovrebbe verificarsi per qualsiasi luce, indipendentemente dalla frequenza o dalla lunghezza d'onda.
3. Dovrebbe esserci un ritardo nell'ordine dei secondi tra il contatto della radiazione con il metallo e il rilascio iniziale di fotoelettroni.

Il risultato sperimentale

1. L'intensità della sorgente luminosa non ha avuto alcun effetto sulla massima energia cinetica dei fotoelettroni.
2. Al di sotto di una certa frequenza, l'effetto fotoelettrico non si verifica affatto.
3. Non ci sono ritardi significativi (meno di 10^-9 s) tra l'attivazione della sorgente luminosa e l'emissione dei primi fotoelettroni.

Come puoi dire, questi tre risultati sono l'esatto opposto delle previsioni della teoria delle onde. Non solo, ma sono tutti e tre completamente controintuitivi. Perché la luce a bassa frequenza non attiva l'effetto fotoelettrico, poiché trasporta ancora energia? Come si liberano i fotoelettroni così rapidamente? E, forse più curiosamente, perché l'aggiunta di più intensità non provoca rilasci di elettroni più energici? Perché la teoria delle onde fallisce così totalmente in questo caso quando funziona così bene in così tante altre situazioni

L'anno meraviglioso di Einstein

Albert Einstein Annalen der Physik

Basandosi sulla teoria della radiazione del corpo nero di Max Planck, Einstein ha proposto che l'energia della radiazione non sia continuamente distribuita sul fronte d'onda, ma sia invece localizzata in piccoli fasci (in seguito chiamati fotoni). L'energia del fotone sarebbe associata alla sua frequenza (ν), attraverso una costante di proporzionalità nota come La costante di Planck (h) o alternativamente, utilizzando la lunghezza d'onda (λ) e la velocità della luce (c):

E = hn = hc / λ

o l'equazione del momento: p = h / λ