Effetto fotoelettrico: comprensione delle origini e dei principi fondamentali dell’effetto
Durante il ventesimo secolo, alcuni fisici illustri come Hertz, Thomson e Von Lenard osservarono che quando un metallo veniva colpito dalla luce, emetteva elettroni, denominando questo fenomeno come “effetto fotoelettrico”. All’epoca si considerava la luce come un’onda secondo i principi della fisica classica. I fisici pensavano che se un metallo fosse stato colpito da una luce più intensa, gli elettroni emessi avrebbero dovuto acquisire un’energia cinetica maggiore rispetto a quando venivano colpiti da una radiazione meno intensa.
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Von Lenard, tuttavia, smentì queste ipotesi, osservando che l’intensità della luce non modificava l’energia degli elettroni emessi. Al contrario, notò che gli elettroni venivano emessi non appena la luce colpiva il metallo. La soluzione a questo problema fu proposta da Einstein, il quale affermò che la luce, oltre alla sua natura ondulatoria, possedesse anche una natura corpuscolare, composta da pacchetti di energia chiamati quanti o fotoni. Questi fotoni interagivano con gli elettroni del metallo, trasferendo loro la loro energia.
La natura della luce e l’energia del fotone
L’energia del fotone è determinata dall’espressione E = hν = hc/λ, in cui h rappresenta la costante di Planck, ν è la frequenza della radiazione, c indica la velocità della luce e λ la lunghezza d’onda. Per estrarre un elettrone dal metallo è necessaria un’energia chiamata lavoro di estrazione o funzione lavoro, simboleggiata con φ. L’energia cinetica Ek dell’elettrone emessa è data dalla differenza tra l’energia del fotone e quella necessaria per l’estrazione dell’elettrone secondo l’equazione E = hν – φ.
Aumentando l’intensità della luce, la lunghezza d’onda rimane invariata e quindi gli elettroni vengono emessi con la medesima energia cinetica. Tale geniale intuizione permise di risolvere il paradosso e dimostrò la duplice natura della luce. Einstein vinse il Premio Nobel per questa teoria e per la spiegazione dell’effetto fotoelettrico.
Dualismo onda-particella e caratteristiche del legame metallico
La scoperta e la comprensione dell’effetto fotoelettrico costituirono una delle scoperte più importanti del ventesimo secolo. Infatti, attraverso questo fenomeno si è riusciti a comprendere la natura della luce e a dimostrarne sia la natura ondulatoria che quella particellare, caratteristica nota come dualismo onda-particella. Inoltre, si è compreso che, quando un fotone colpisce la superficie di un metallo, trasferisce tutta la sua energia a un elettrone del metallo, il quale, se l’energia del fotone è uguale o maggiore della funzione lavoro, viene emesso dalla superficie del metallo.
Le funzioni lavoro dei diversi metalli variano, e i metalli con una bassa funzione lavoro sono considerati dei buoni conduttori in quanto gli elettroni sono debolmente legati e più liberi di muoversi, diminuendo così la resistenza del materiale ad essere attraversato da un flusso di corrente.
Tabelle e esercizi
Sono riportate le funzioni lavoro di alcuni elementi, come Alluminio, Berillio, Calcio, Rame, Oro, Piombo, Silicio, Argento e Sodio. Infine, vengono forniti due esercizi, in cui si calcola la massima energia cinetica emessa dall’elettrone e si valuta se una specifica radiazione è in grado di estrarre gli elettroni da un foglio di oro, utilizzando le formule specifiche e conversioni di unità di misura.
