L'effetto fotoelettrico

La Luce

- Introduzione all’argomento:

L’effetto fotoelettrico è un’emissione di elettroni da una superficie metallica quando questa viene colpita dalla luce.

“Quando un fotone colpisce una superficie in metallo, questo viene assorbito mentre l'elettrone colpito sfugge alla superficie stessa del metallo. Einstein, ricevette il Premio Nobel per la fisica nel 1922 per la spiegazione dei fatti sperimentali partendo dal principio che la radiazione incidente possiede energia quantizzata. Infatti i fotoni che arrivano sul metallo cedono energia agli elettroni dello strato superficiale del solido; gli elettroni acquisiscono così l'energia necessaria per rompere il legame: in questo senso l'ipotesi più semplice è che il quantone cede all'elettrone tutta l'energia in suo possesso. A questo punto l'elettrone spenderà energia per arrivare in superficie e per abbandonare il solido: da qui si può capire che saranno gli elettroni eccitati più vicini alla superficie ad avere più velocità”

Parte da Wikipedia, l'enciclopedia libera.

L’effetto fotoelettrico è proporzionale alla frequenza della luce e non alla sua all’intensità, questo viene spiegato perché il fotone ad una frequenza più alta è più energetico.

Subito sotto vi riporto la spiegazione più dettagliata che mi è stata data dietro una richiesta di chiarimento all’effetto fotoelettrico ad http://ulisse.sissa.it:

“Gli elettroni nei metalli sono quasi liberi. Tuttavia non possono fuoriuscire a causa di una barriera di potenziale, cioè una differenza di potenziale ΔV di alcuni volt caratteristica di ciascun metallo. Si possono estrarre elettroni dai metalli in vari modi, basta trasferire ad un elettrone energia sufficiente a superare la barriera di potenziale, cioè e ΔV, dove e è la carica dell'elettrone. L'effetto fotoelettrico è uno di questi modi. Se un raggio di luce colpisce la superficie liscia di un metallo, ne può risultare un flusso continuo di elettroni fuoriuscenti dal metallo. Questo avviene però soltanto se la luce ha una frequenza superiore a un certo valore critico v₀. Alla luce delle nostre conoscenze attuali la spiegazione è semplice. Il raggio di luce di una certa frequenza è composto da fotoni la cui energia è data dalla formula E = hv, dove h è la costante di Planck e v la frequenza. Se un elettrone nel metallo assorbe un fotone la sua energia può aumentare di E e, se E è maggiore di eΔV , l'elettrone ha energia sufficiente per liberarsi e fuoriuscire dal metallo. Ne risulta in particolare che la frequenza critica deve essere v₀ = e ΔV /h.”

Leggendo bene questa spiegazione a me sembra di capire (forse qui sbaglio) che l’energia cinetica del fotone è compatibile e possa sommarsi alla la carica elettrica dell’elettrone, “Se un elettrone nel metallo assorbe un fotone la sua energia può aumentare di E e, se E è maggiore di eΔV , l'elettrone ha energia sufficiente per liberarsi e fuoriuscire dal metallo”.

Se la mia interpretazione è giusta, questa spiegazione sembra quantomeno imprecisa, l’energia luminosa del fotone non si può sommare all’energia elettrica dell’elettrone perché sono energie incompatibili, un elettrone è ancorato al nucleone grazie alla forza elettrica che si crea con la differenza di potenziale ΔV di alcuni volt questa forza elettrica non è assolutamente compatibile con l’energia cinetica del fotone e forse la nuova particella il “quantone” come quantità di energia non esiste, esiste solo il fotone come particella di luce, l’elettrone è tenuto ben saldo dal campo di forza creato proprio dalla forza elettrica, questa viene esercitata tra il nucleone e l’elettrone, questa forza è diversa non compatibile perché di un'altra natura e superiore alla forza luminosa esercitata dal fotone.

Per capire appieno e trovare una soluzione a questo fenomeno secondo il mio parere dobbiamo cercare di scomporre l’evento.

Qui dobbiamo sezionare tutti gli elementi in gioco: dalla parte dell’elettrone noi abbiamo una particella con una massa puntiforme, una forza elettrica che si crea perché c’è una differenza di potenziale tra l’elettrone che ha una carica negativa ed il nucleone dell’atomo con una carica positiva, dopo c’è il semplice moto orbitale dell’elettrone come pura energia cinetica; invece dalla parte della luce abbiamo la pura energia cinetica (come radiazione elettromagnetica) ed abbiamo il fotone come particella senza massa ma con un suo volume definito.

La mia ipotesi è questa: la forza elettrica genera la differenza di potenziale e questa ha la capacità di trattenere l’elettrone intorno al nucleo con un moto orbitale, invece la radiazione (intesa come pura energia) genera il moto del fotone inteso come particella senza massa in movimento.

A questo punto sia la forza elettrica sia la radiazione luminosa hanno generato i due moti, adesso bisogna mettere da parte le energie diverse (forza elettrica e radiazione) ed esaminare solo il semplice movimento delle particelle, qui l’elettrone viene colpito solo meccanicamente dal volume fisico del fotone, più precisamente dalla sua particella senza massa ma con un volume ben definito, questa particella è solo trasportata dall’energia cinetica della luce, ecco perché con una velocità potenziale più alta, (velocità potenziale si può leggere anche frequenza maggiore), il fotone riesce a colpire l’elettrone trasferendogli tutta la sua forza cinetica sufficiente a farlo fuoriuscire dal nucleo, perciò solo con una frequenza alta c’è un’ aumento di elettroni in fuga, questo proprio nella parte superficiale della lamina di metallo.

Loro non hanno in comune le energie, queste non si possono sommare o sottrarre tra loro, la lamina di metallo non assorbe energia, li si verifica solo una collisione di particelle, una con una massa puntiforme e l’altra senza una massa ma con un volume ben determinato, provo a fare un esempio: immaginiamo di giocare al gioco delle bocce, se noi vogliamo colpire una grande boccia con l’intento di spostarla, ma per farlo pretendiamo di utilizzare il boccino (la piccola pallina), per riuscirci noi dobbiamo lanciare il boccino con molta ma molta forza, perché allo scontro la boccia grande senta l’energia cinetica e si sposti un po’, qui non c’entra la forza elettrica che mantiene l’elettrone in orbita al nucleo, come non centra la gravità che tiene ferma la boccia sul terreno, lo spostamento della boccia può avvenire solo se il boccino ha una grande energia cinetica da trasferire, allora riuscirà a spostare la boccia (questa energia può essere generata con modalità diverse non è un problema) ma non per questo l’energia che fa muovere il boccino ha qualcosa in comune con la gravità che tiene ferma la boccia.

Questo fatto sperimentale è anche la prova dell’esistenza dei fotoni, come particelle senza massa in movimento.