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FISICA DELLA COSCIENZA
MQ 02. «Effetto Fotoelettrico ed Effetto Compton»


Nascita della Meccanica Quantistica - L'Effetto Fotoelettrico


Nel 1905 Einstein permise alla teoria quantistica di fare un ulteriore passo avanti. Planck aveva proposto che gli scambi di energia tra la radiazione elettromagnetica e la materia avvenissero in modo quantizzato, ma Einstein propose che la radiazione stessa fosse composta da quanti, dando alla discontinuità dell'energia assume un carattere universale e più strettamente fisico, non solo matematico!
Questo passaggio fu possibile grazie allo studio dell'effetto fotoelettrico, scoperto casualmente nel 1887 dal fisico tedesco Heinrich Rudolf Hertz, quando vide che illuminando una placca di zinco con delle radiazioni ultraviolette, il metallo si caricava elettricamente.

La spiegazione di questo fenomeno sta nel fatto che l'energia della radiazione elettromagnetica in arrivo determina l'espulsione degli elettroni e quindi la generazione della corrente elettrica (ma solo se l'energia incidente supera la forza che tiene legati gli elettroni all'atomo).

Origine dell'effetto fotoelettrico:
gli elettroni sono espulsi a causa dell'energia dei fotoni che li colpiuscono.

Poichè all'epoca la luce era considerata un'onda la forza di espulsione degli elettroni sarebbe dovuta dipendere solo dall'intensità della luce e non dalla sua frequenza, quindi non c'era ragione di pensare che luci rosse, verdi o blu avrebbe dovuto avere effetti diversi. Al contrario una debole luce rossa o una debole luce verde avrebbero dovuto espellere gli elettroni con meno forza di una intensa luce rossa o di una intensa luce verde.

 Ma questo non accadeva! Al variare dell'intensità cambiava soltanto il numero degli elettroni espulsi, ma la velocità di espulsione degli elettroni rimaneva esattamente la stessa!


NB Per esattezza c'è da dire che l'aumento dell'intensità della luce produce un aumento del numero
di elettroni espulsi anche nel modello teorico ondulatorio, sebbene questo nel disegno non sia mostrato.


 
C'era un ulteriore complicazione: in alcuni metalli la luce rossa non riusciva ad espellere alcun elettrone, mentre quella blu o ultravioletta potevano farlo con facilità. da cosa dipendeva tutto ciò?

Einstein ipotizza, sull'onda dell'intuizione di Planck, che la luce in questo caso andasse considerata come una particella. Ogni "pacchetto di luce", in questa ipotesi, possiede un'energia che è proporzionale alla sua frequenza secondo la formula di Planck... per cui i quanti di luce rossa hanno una bassa energia (sono a bassa frequenza), mentre i quanti di luce ultravioletta hanno un'alta energia (sono ad alta frequenza).
Quando l'energia di un quanto arriva a colpire un atomo essa viene ceduta all'elettrone. Se un fotone è a bassa frequenza (ad es. di luce rossa) l'energia posseduta non è sufficiente a causare l'emissione di un elettrone, mentre oltre una determinata soglia di frequenza l'energia del fotone può strappare l'elettrone all'atomo.
A seconda della soglia fotoelettrica di un metallo, una debole luce ultravioletta - caratterizzata da un'alta frequenza - potrebbe tranquillamente generare una corrente elettrica, mentre una fortissima luce rossa potrebbe non esserne capace.


In sostanza la maggiore intensità della luce rappresenta solo un maggior numero di fotoni, senza con questo disporre di una maggiore intensità dell'energia (che dipende invece dalla frequenza), quindi la capacità di strappare gli elettroni rimane la stessa e non viene influenzata la loro velocità di espulsione, ma ciò che cambia è semplicemente che più elettroni verranno emessi (aumentando il flusso di corrente elettrica).
Il considerare la luce come un'onda avrebbe reso la sua energia dipendente esclusivamente dall'intensità della luce, per cui una luce rossa ed una ultravioletta - a parità di intensità - avrebbero dovuto espellere lo stesso numero di elettroni e l'energia cinetica di espulsione sarebbe dovuta essere equivalente. Una luce troppo debole non avrebbe dovuto generare alcun elettrone, indipendentemente dalla sua frequenza.
Il quanto di luce venne definito "fotone" dal chimico statunitense Gilbert Newton Lewis nel 1926, mentre Einstein per questa interpretazione ricevette il Nobel per la Fisica nel 1921.

Di seguito un vecchio documentario Rai con la spiegazione dell'effetto fotoelettrico.


Link

A proposito di quanto sopra esposto riporto un interessante commento tratto dal sito: www.fisicamente.net

"... si è scardinato l'impianto della fisica classica. Se solo si pensa, ad esempio, ad una energia proporzionale alla frequenza ci si rende conto dell'enorme distanza che ci separa da quell'elettrodinamica che prevede una proporzionalità con l'ampiezza (qualcuno ha giustamente osservato che rimarremmo quanto meno stupiti nel vedere un uragano non provocare nessun effetto su un bosco di palme, mentre una leggera brezza sradicarle e scagliarle a chilometri di distanza)."



Nascita della Meccanica Quantistica - L'Effetto Compton


Nel 1923 Arthur Holly Compton fece un esperimento inviando un fascio monocromatico di raggi X su un blocco di grafite e misurò la direzione e l'intensità dei raggi X uscenti.

L'esperimento evidenziò che la radiazione uscente veniva deviata in tutte le direzioni e che la frequenza dell'energia in uscita era molto più piccola di quella del fascio in entrata. La logica spiegazione di tali riscontri era che i singoli fotoni urtassero contro gli elettroni della materia e, colpendoli, fossero deviati e perdessero essi stessi energia; in pratica si comportavano come palle da biliardo che ne colpivano altre.

La teoria ondulatoria avrebbe previsto che la radiazione elettromagnetica, interagendo con gli atomi di grafite, avrebbe dovuto mantenere la stessa frequenza della radiazione incidente e inoltre che la deviazione dei raggi X derivata dal passaggio nella grafite sarebbe dovuto essere molto minore.


La scoperta dell'effetto Compton convinse in maniera pressoché definitiva la comunità scientifica che la radiazione elettromagnetica possedeva anche una natura corpuscolare. Compton ottenne il Nobel per la Fisica nel 1927 grazie a questa scoperta.



Ricapitolando...

Considerare l'energia come composta da quantità discrete (corpuscoli) e non da onde era l'unico modo per interpretare correttamente i dati sperimentali derivanti dallo studio dell'effetto fotoelettrico e dell'effetto Compton. Veniva così resa evidente la natura corpuscolare della luce e si apriva la strada ai paradossi della Meccanica Quantistica, quale ad esempio la doppia natura ondulatoria e corpuscolare dei quanti, che vedremo nel prossimo capitolo!


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