L’elettrone di conduzione in un metallo è in una buca di potenziale

1. Pina di Vito

2. L’elettrone di conduzione in un metallo è in una buca di potenziale metallo U energia di legame degli elettroni nel reticolo metallico Ecin energia cinetica dell’elettrone nel metallo Ei energia totale dell’elettrone nel metallo Ei=Ecin+U Ue energia potenziale dell’elettrone libero Ue W Ei Ecin U Il lavoro di estrazione W è la minima energia che deve essere fornita all’elettrone affinché abbandoni il metallo. W = Ue - Ei Esso dipende dal tipo di metallo (U) e dalla sua temperatura (Ecin) Pina di Vito

3. Potenziale di estrazione di alcuni metalli Pina di Vito

4. Estrazione di elettroni da un metallo illuminato • Prime osservazioni Hertz 1857 • Esperimento di Lenard – 1902 • Spiegazione teorica di Einstein - 1905

5. Meccanica classica: onde Secondo la teoria ondulatoria l’energia trasportata da un’onda è proporzionale alla sua ampiezza Hanno la stessa energia Pina di Vito

6. Previsioni della meccanica classica • L’energia cinetica degli elettroni emessi non dipende dalla frequenza della radiazione incidente • L’energia cinetica degli elettroni emessi dipende dell’intensità della radiazione incidente • Qualunque radiazione, di qualunque frequenza , può causare l’emissione di elettroni. Se essa è poco intensa ci vorrà un po’ di tempo (ritardo) perché gli elettroni accumulino l’energia sufficiente per uscire dal metallo Pina di Vito

7. e e e • Fenomeno osservato da Hertz (1857) • Illuminando con luce visibile la superficie di alcuni tipi di metalli si può manifestare emissione di elettroni dalla superficie stessa Anche una debolissima luce blu è capace di strappare elettroni da un metallo, mentre un faro da 1000 watt giallo non ci riesce Pina di Vito

8. Lenard 1902 : Schema dell'apparato sperimentale http://www.fis.unical.it/pls_fisica/lo/fotoelettrico/fotoelettrico/percorso/approfondimenti/lenard/lenard.htm Pina di Vito

9. Lenard 1902 : risultatisperimentali http://www.fis.unical.it/pls_fisica/lo/fotoelettrico/fotoelettrico/percorso/approfondimenti/lenard/lenard.htm Pina di Vito

10. Osservazioni sperimentali di Lenard • Il fenomeno presenta una frequenza di sogliaf0 (detta soglia fotoelettrica) al di sotto della quale non si ha emissione • L’energia cinetica degli elettroni emessi è indipendente dall’intensità della radiazione incidente • Il n° di elettroni emessi aumenta con l’intensità della radiazione • L’energia del singolo elettrone aumenta al crescere della frequenza della radiazione incidente • Questi risultati non si spiegano se gli elettroni ricevono energia da una radiazione descritta in termini classici! Pina di Vito

11. Grafici dei risultati sperimentali dell’effetto fotoelettrico • Nell’esperimento di Lenard l’energia cinetica massima dei fotoelettroni viene misurata mediante il potenziale di arresto Pina di Vito

12. Energia cinetica dei fotoelettroni Cs Na Cu Frequenza della radiazione 4,7.1014Hz 5,5.1014Hz 10,8.1014Hz Grafici dei risultati sperimentali dell’effetto fotoelettrico Frequenza di soglia dei metalli riportati in grafico indicata usando il colore della luce monocromatica corrispondente Pina di Vito

13. Potenziale di estrazione, frequenza di soglia n0 e lunghezza d’onda l0 Pina di Vito

14. Perché la meccanica classica non fa previsioni corrette, in questo fenomeno?Ripassiamo la teoria delle onde Secondo la teoria ondulatoria l’energia trasportata da un’onda è proporzionale alla sua ampiezza Queste due onde hanno la stessa energia anche se hanno diversa frequenza Pina di Vito

15. Nell’effetto fotoelettrico è evidente che l’energia trasportata dalla luce è legata alla sua frequenza e non alla sua ampiezza o intensità! bassa frequenza bassa energia alta frequenza alta energia Ma siamo sicuri che la luce sia un’onda? Pina di Vito

16. I quanti di Planck La luce è quantizzata Grandezza continua Grandezza discreta Pina di Vito

17. Spiegazione dell’effetto fotoelettrico di Einstein (1905) • Ogni volta che avviene, da parte della materia, emissione o assorbimento della radiazione elettromagnetica la quantità di energia scambiata è legata alla frequenzaf della radiazione dalla relazioneE=hfh=6.626 10-34 Js costante di Planck • L’energia della radiazione elettromagnetica non è distribuita con continuità nello spazio, bensì è raccolta in pacchetti o quantidetti fotoni Pina di Vito

18. Grafici dei risultati sperimentali dell’effetto fotoelettrico • Nell’esperimento di Lenard l’energia cinetica massima dei fotoelettroni viene misurata mediante il potenziale di arresto • Nella spiegazione di Einstein l’energia cinetica massima è calcolata mediante la differenza tra la frequenza della radiazione incidente e la frequenza di soglia. Pina di Vito

19. Leggi dell’effetto fotoelettrico • Se hf < W non si ha energia sufficiente per estrarre gli elettroni dal materiale soglia fotoelettrica hf0=W • Un elettrone può ricevere energia solo da un quanto l’energia cinetica degli elettroni emessi non dipende dall’intensità della radiazione incidente • Ecin= hf-hf0L’energia del singolo elettrone aumenta al crescere della frequenza della radiazione incidente • Aumentando l’intensità della radiazione aumenta il n° di pacchetti di energia il n° di elettroni emessi aumenta con l’intensità • Wenergia necessaria per estrarre un elettrone dal materialehfenergia fornita al materiale dal singolo fotone Pina di Vito

20. Dall’articolo sui quanti di lucepubblicato da Einstein nel 1905 sugli "Annalen der Physik" Dice Einstein: "Secondo l'ipotesi che voglio qui proporre, quando un raggio di luce si espande partendo da un punto, l'energia non si distribuisce su volumi sempre più grandi, bensì rimane costituita da un numero finito di quanti di energia localizzati nello spazio, che si muovono senza suddividersi e che non possono essere assorbiti o emessi parzialmente." Pina di Vito

21. Dall’articolo sui quanti di luce "La consuetaconcezione, per la qualel'energiadellalucesidistribuisce in modo continuo nellospazioirradiato, incontra, neltentativodispiegareifenomenifotoelettrici, notevolidifficoltà, chesono state fatteoggettodiuno studio particolarmenteapprofonditodal Signor Lenard [Einstein siriferisceall'articolodi Lenard del 1902]. Partendodal principio che la luceeccitatrice è costituitadiquantidienergiahf, l'emissione ... [dielettroni] sipuòspiegarenelseguentemodo. I quantidienergiapenetranonellostratosuperficiale del corpo e la loroenergiasitrasforma, almeno in parte, in energiacineticadielettroni... Inoltrevasuppostocheognielettrone, nell'abbandonareilcorpo, debbaeffettuare un lavoroW (cheè caratteristico del corpoconsiderato). Ad usciredalcorpo con la massimavelocitànormale[Kmax] sarannoglielettronieccitatichesitrovanodirettamenteallasuasuperficie e cheacquistanounavelocitànormale ad essa". Pina di Vito

22. Due cose sono infinite: l’universo e la stupidità umana, ma riguardo l’universo ho ancora dei dubbi. Follia è fare sempre la stessa cosa e aspettarsi risultati diversi. In principio era previsto che diventassi ingegnere, ma il pensiero di dover spendere la mia energia creativa su cose che rendono ancora più raffinata la vita pratica di ogni giorno, con la deprimente prospettiva di una rendita da capitale come obiettivo, mi era insopportabile. Pensare per il piacere di pensare, come per la musica. Non hai veramente capito qualcosa fino a quando non sei in grado di spiegarlo a tua nonna. Quando un uomo siede un’ora in compagnia di una bella ragazza, sembra sia passato un minuto. Ma fatelo sedere su una stufa per un minuto e gli sembrerà più lungo di qualsiasi ora. Questa è la relatività. Albert Einstein