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Introduzione
Il corpo nero
L'effetto fotoelettrico
L'effetto Compton
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L'effetto fotoelettrico
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Un metallo, quando viene illuminato con una radiazione elettromagnetica
sufficientemente energetica, emette elettroni. La spiegazione qualitativa
di questo fenomeno, che prende il nome di effetto fotoelettrico,
è abbastanza semplice. Gli elettroni assorbono energia dalla
radiazione incidente, per poter sfuggire dalla "trappola"
costituita dal metallo stesso.
Ma è possibile fornire una spiegazione più esauriente
e quantitativa?
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Nel 1905 Albert Einsten riprese l'ipotesti
di Max Planck e riuscì a spiegare in maniera tanto semplice
quanto brillante tutte le principali caratteristiche fisiche dell'effetto
fotoelettrico.
Einstein suppose non solo (come aveva fatto Planck) che gli scambi
di energia tra la radiazione e la materia avvengono in modo quantistico,
ma che la radiazione stessa sia composta da quanti (i fotoni) di
energia proporzionale alla frequenza, secondo la relazione:
dove h è la costante di Planck. Per liberarsi dal
metallo un elettrone deve allora assorbire un fotone. Se il fotone
è poco energetico, ovvero se la sua frequenza è troppo
bassa, l'elettrone non riesce ad acquistare l'energia necessaria
per sfuggire il metallo. Se, al contrario, il fotone è sufficientemente
energetico, quando viene assorbito parte dell'energia viene utilizzata
dall'elettrone per liberarsi dal metallo, e parte viene trasformata
in energia cinetica. L'energia cinetica degli elettroni emessi dipende
quindi direttamente dalla frequenza della radiazione incidente secondo
la relazione
dove 
è il lavoro necessario per sottrarre un elettrone al metallo.
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Grafico che mostra la dipendenza
dell'energia cinetica degli elettroni emessi in funzione della frequenza
della radiazione incidente. |
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Tutte le previsioni derivate dall'ipotesi di Einstein,
previsioni che non sono deducibili dalla teoria ondulatoria classica
dell'elettromagnetismo, trovarono ampia conferma sperimentale. La
teoria quantistica della radiazione va lentamente imponendosi sulla
teoria classica.
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Legenda
Start/Stop
= avvia/ferma l'animazione
Low intensity/High intensity = consente di scegliere l'intensità
(bassa o alta) del fascio di luce emesso dalla sorgente
Metal = consente di scegliere il metallo con cui condurre
l'esperimento
Wavelength = consente di scegliere la lunghezza d'onda
del fascio di luce emesso dalla sorgente
Source = sorgente
Ammeter = amperometro
Energy of electrons = energia degli elettroni emessi dal
metallo |
Autore: Kingshuk Majumdar, Department
of Physics, Berea College, Berea, Kentucky, USA
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L'animazione simula l'effetto fotoelettrico per
diversi metalli.
- Selezionare il metallo dall'elenco in alto a destra.
- Per far partire l'animazione selezionare il tasto Start.
Spostando il cursore che indica la lunghezza d'onda si osserverà
che, a un certo punto, dal metallo vengono emessi elettroni.
- Il cursore relativo alla lunghezza d'onda (Wavelength)
consente di passare da valori piccoli (a sinistra) a valori
via via più grandi (a destra).
- Osservare cosa succede a parità di lunghezza d'onda
selezionando un diverso metallo.
Inoltre è possibile osservare che:
- esiste una soglia al di sotto della quale non vengono emessi
elettroni. Essa dipende dal materiale preso in esame, come si
può osservare selezionando un diverso metallo (dal menu
Metal) sul quale condurre l'esperimento. Si noti inoltre
che la soglia non dipende dall'intensità della radiazione
incidente;
- diminuendo la lunghezza d'onda (ovvero aumentando la frequenza)
aumenta l'energia cinetica degli elettroni emessi;
- aumentando l'intensità, quando si è sopra la
soglia, aumenta il numero dei fotoni incidenti, e quindi anche
il numero degli elettroni emessi. Questo si traduce in un aumento
della corrente che passa attraverso il circuito.
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