Effetto fotoelettrico

1

 

INTRODUZIONE

Effetto fotoelettrico Fenomeno che si manifesta con l'emissione di particelle elettricamente cariche da parte di un corpo esposto a onde luminose o a radiazioni elettromagnetiche di varia frequenza. Con il termine effetto fotoelettrico si indicano, in generale, diversi tipi di interazioni correlate. Nel cosiddetto effetto fotoelettrico esterno gli elettroni vengono emessi dalla superficie di un conduttore metallico (o da un gas) in seguito all'assorbimento dell'energia trasportata dalla luce incidente sulla superficie stessa. L'effetto è sfruttato nella cellula fotoelettrica, in cui gli elettroni emessi da uno dei due poli della cellula, il fotocatodo, migrano verso l'altro polo, l'anodo, per effetto di un campo elettrico applicato. Si definisce invece effetto fotoelettrico interno quel fenomeno in cui gli elettroni liberati dalla radiazione restano all’interno del materiale, disponibili alla conduzione.

 

Effetto fotoelettrico:

La radiazione luminosa di frequenza v è composta da particelle corpuscolari (fotoni) di energia E = hν (h è la costante di Planck). Per riuscire a strappare un elettrone a una superficie metallica, l’energia del fotone deve essere maggiore dell’energia di legame dell’elettrone nel metallo (W). In questo caso, inserendo un amperometro fra anodo e catodo si misura un passaggio di corrente (a sinistra, nell’illustrazione). Se l’energia del fotone è inferiore a W (a destra, nell’illustrazione) non si ha effetto fotoelettrico, e dunque l’amperometro non registra flusso di corrente. La caratteristica importante dell’effetto fotoelettrico è di dipendere dalla frequenza della radiazione, che determina l’energia del fotone, e non dall’intensità della luce.

 

2

 

LA SCOPERTA E LA SPIEGAZIONE DI EINSTEIN

La scoperta dell'effetto fotoelettrico ebbe un ruolo fondamentale nella crisi della fisica classica, che riconosceva alla radiazione elettromagnetica un comportamento prettamente ondulatorio, e nello sviluppo della meccanica quantistica, che introduce il concetto di dualismo onda-particella. L’effetto fotoelettrico era noto dal 1880: si sapeva che la luce poteva far emettere elettroni ad una superficie metallica, producendo una debole corrente. La teoria ondulatoria classica prevedeva però che, all'aumentare dell'intensità della luce incidente, aumentasse l'energia degli elettroni emessi. Nel 1902, il fisico tedesco Philipp Lenard mostrò invece che l'energia posseduta dai fotoelettroni non dipendeva dall’intensità di illuminazione, ma unicamente dalla frequenza (o, equivalentemente, dalla lunghezza d'onda) della radiazione incidente. L’intensità della radiazione, al contrario, determinava l’intensità della corrente, ovvero il numero di elettroni strappati alla superficie metallica. Il risultato sperimentale era inspiegabile ammettendo che la natura della luce fosse unicamente ondulatoria.

Nel 1905 Albert Einstein spiegò l'effetto fotoelettrico con l'ipotesi che i raggi luminosi trasportassero particelle, chiamate fotoni, la cui energia è direttamente proporzionale alla frequenza dell’onda corrispondente. Secondo la teoria formulata da Einstein, incidendo sulla superficie di un corpo metallico, i fotoni cedono parte della propria energia agli elettroni liberi del conduttore, provocandone l'emissione. In questa ipotesi, l'energia dell'elettrone liberato dipende solo dall'energia del fotone, mentre l’intensità della radiazione è direttamente correlata al numero di fotoni trasportati dall’onda, e dunque può influire sul numero di elettroni estratti dal metallo, ma non sulla loro energia.

3

 

ALTRI TIPI DI EFFETTO FOTOELETTRICO

Il termine effetto fotoelettrico può indicare altri tre processi: la fotoionizzazione, la fotoconduzione e l'effetto fotovoltaico, gli ultimi due esempi di effetto fotoelettrico interno. La fotoionizzazione consiste nella ionizzazione di un gas da parte di luce o di altra radiazione elettromagnetica: i fotoni, se dotati di energia sufficiente, liberano uno o più elettroni appartenenti ai livelli energetici esterni degli atomi del gas. Nella fotoconduzione, gli elettroni facenti parte del reticolo cristallino di un solido assorbono energia dai fotoni incidenti e divengono elettroni di conduzione. L'effetto fotovoltaico si manifesta invece con la formazione di coppie elettrone-lacuna quando un fascio di fotoni colpisce la superficie di un materiale semiconduttore. In alcuni tipi di transistor quest'ultimo effetto viene sfruttato per provocare una differenza di potenziale in corrispondenza della giunzione tra due diversi semiconduttori.