BACHECA DI FISICA: APPUNTI VIDEO ESPERIMENTI (prof. Sergio LA Malfa): febbraio 2016

EFFETTO FOTOELETTRICO

L'effetto fotoelettrico è quel fenomeno che si verifica quando un certo materiale (esempio zinco) emette elettroni (detti fotoelettroni) se irradiato da una radiazione elettromagnetica di una certa frequenza.(esempio ultravioletti).

La spiegazione del fenomeno è in apparenza abbastanza semplice: fornendo energia agli elettroni pari al LAVORO DI ESTRAZIONE L (energia minima per estrarre l'elettrone), l'elettrone si libera dal legame atomico. E' simile a quello che accade anche nell'EFFETTO TERMOELETTRICO dove un filamento incandescente portato ad una certa temperatura libera elettroni.

In realtà nell'effetto fotoelettrico accade qualcosa di strano che è difficile da spiegare con la fisica classica.

1) Se la frequenza della radiazione è MINORE di una certa frequenza detta frequenza di soglia non vengono estratti elettroni nemmeno aumentando l'intensità della radiazione (e quindi la quantità di energia fornita).
2) Con una frequenza f* della radiazione MAGGIORE della frequenza di soglia viene estratto un certo numero di elettroni con una certa energia E. Aumentando l'intensità della stessa radiazione aumenta il numero di elettroni emessi ma la loro energia rimane la stessa. Inoltre l'emissione degli elettroni avviene istantaneamente senza attendere del tempo per l'accumulo di energia.
3) per aumentare l'energia degli elettroni emessi bisogna aumentare la frequenza della radiazione incidente.
Quindi per f >f0 :
AUMENTA L'INTENSITÀ--> SALE IL N° DI ELETTRONI
AUMENTA LA FREQUENZA -->SALE LA LORO ENERGIA

Lo studio del fenomeno ha portato alla nascita della fisica quantistica.

simulazione

Spiegazione dell'effetto fotoelettrico con la simulazione

seconda parte teorica

La spiegazione di questo fenomeno fu fornita da Einstein nel 1905.

Einstein riprese l'ipotesi di Planck quella che dice che l'energia è QUANTIZZATA cioè viene scambiata in pacchetti dati da E=hf. Cosa vuol dire?

L'energia trasportata dalla radiazione è formata da "granuli" di energia che contengono una quantità di energia pari a E=h∙f (h COSTANTE DI PLACK h=6,626∙10⁻³⁴ J∙s) proporzionale alla frequenza della radiazione. Questi "pacchetti" di energia sono detti FOTONI.

Per estrarre un elettrone è necessario fornire un'energia pari al LAVORO DI ESTRAZIONE: L=hf₀ dove f₀ è la frequenza di soglia.

1) per f<f₀ l'energia del fotone E=hf non è sufficiente ad estrarre nessun elettrone anche se si aumenta l'intensità (cioè il numero di fotoni). Infatti l'energia del singolo fotone è assorbita tutta in un colpo e non si accumula. Quindi se l'energia del fotone non è sufficiente ad estrarre l'elettrone viene "sprecata".

2) L'elettrone è emesso solo quando l'energia del fotone E=hf₀ è uguale dell'energia di estrazione L. In questo caso l'elettrone emesso ha energia nulla.

3) Se f>f₀ e si aumenta la frequenza mantenendo costante l'intensità aumenta l'energia cinetica dell'elettrone emesso. Infatti l'energia dell'elettrone è pari alla differenza tra l'energia totale fornita e quella necessaria all'estrazione. Dunque:

ENERGIA CINETICA ELETTRONE EMESSO K=hf-hf₀

4)Mantenendo costante una frequenza maggiore della frequenza di soglia (f>f₀) e AUMENTANDO L'INTENSITÀ cresce il numero di fotoni che arrivano sul materiale ma l'energia fondamentale di ciascun fotone rimane la stessa. Ogni fotone libera un solo elettrone. Quindi aumenta il numero di elettroni emessi anche se la loro energia rimane la stessa.

In generale fissata l'intensità della radiazione il numero di elettroni emessi rimane lo stesso a tutte le frequenze e cambia solo la loro energia cinetica.

Per capire quello che avviene si può fare un semplice analogia. Supponiamo di avere una fiamma e di volerla spegnere con acqua. Supponiamo che per spegnere la fiamma sia sufficiente un bicchiere d'acqua. Abbiamo a disposizione 1000 litri di acqua di un pozzo e un solo contagocce come contenitore.

Se l'energia (e quindi la quantità d'acqua fosse continua) si potrebbe scegliere una qualunque quantità d'acqua sufficiente per spegnere l'incendio.

Nel caso quantistico è come possedere solo un contagocce per l'operazione di spegnimento.

Una goccia per volta non spegne sicuramente la fiamma.

Nella analogia la goccia d'acqua è il fotone che contiene una quantità E=hf dove h è la costante di Planck e f è la frequenza della radiazione.

Segue una video lezione sull'effetto fotoelettrico:

Sperimentalmente (esperimento di Lenard) si irradia con luce un CATODO di zinco di fronte al quale è posto un ANODO.

Tra catodo e anodo si stabilisce una ddp V che determina una corrente che viene misurata con un amperometro al variare di V.

Per definizione il POTENZIALE DI ARRESTO e il potenziale d'applicare all'elettrone emesso per fermarlo ed è uguale alla sua energia cinetica. Infatti è il prodotto e∙Va il lavoro fatto dalle forze del campo per frenare l'elettrone e deve essere uguale alla sua energia.
Quindi: e∙Va=h∙f - Lₒ=h∙f-h∙f₀

Il grafico potenziale di arresto - frequenza è quindi una retta con coefficiente angolare h/e e che interseca l'asse delle x nel punto fₒ che dipende dalla natura del materiale :

Al variare dell'intensità di ottengono i seguenti grafici relativi alla corrente misurata nel circuito sperimentale descritto sopra:

Se si collega il catodo con il polo negativo della batteria e l’anodo con il polo positivo, gli elettroni emessi acquisteranno energia dal campo elettrico e ce ne saranno sempre di più che arriveranno all’anodo facendo aumentare la corrente i all'aumentare del potenziale. C’è però un limite al valore della corrente (detta corrente di saturazione) e questo è dato dal valore che questa assume quando tutti gli elettroni emessi raggiungono l’anodo; a quel punto, anche aumentando la tensione la corrente rimarrà costante. Infatti con frequenza e intensità fissate rimane costante il numero di elettroni emessi. (VEDI GRAFICO) Se si inverte la polarità di catodo e anodo, gli elettroni emessi verranno rallentati e saranno sempre di meno quelli che raggiungeranno l’anodo. La corrente diminuisce per valori di V negativo fino ad annullarsi in corrispondenza del valore Va ( potenziale d’arresto). Va non dipende dalla radiazione usata ma solo dal materiale.

Aumentando l'intensità la corrente a regime aumenta valore perchè aumenta il numero elettroni emessi.(vedi grafico)