L’effetto fotoelettrico for dummies

Ebbene sì, mi tocca rispiegarlo. Quello che ho spiegato ieri in “L’effetto fotoelettrico” non è stato chiarissimo, visto che il mio amico Gianfranco, detto “Franz”, mi ha simpaticamente detto: “Francesco, poi lo traduci per noi anche per noi terrestri vero? 😱”.
Ci provo, ma non è detto che ci riesca. Intanto capiamo di cosa stiamo parlando.
Gli studiosi dell’antichità e del Medioevo erano completamente all’oscuro della natura della luce; pensavano che fosse fatta di particelle emesse dagli oggetti luminosi o forse dallo stesso occhio. Gli unici fatti che riuscirono a stabilire al proposito furono che la luce si propagava in linea retta, che veniva riflessa da uno specchio secondo un angolo uguale a quello di incidenza e che cambiava direzione quando dall’aria passava nel vetro, o nell’acqua, o in qualche altra sostanza trasparente (la cosiddetta “rifrazione”).
I primi esperimenti importanti sulla natura della luce vennero condotti da Isaac Newton nel 1666, il quale dedusse che la luce bianca ordinaria è una miscela di tipi differenti di luce, i quali, separatamente, agiscono sui nostri occhi in modo da suscitare la sensazione dei diversi colori. Questa striscia di colori, anche se ci appare abbastanza reale, è immateriale, proprio come un fantasma; non per nulla Newton la denominò “spettro”.
Newton stabilì che la luce doveva essere costituita di particelle minuscole (“corpuscoli”) che viaggiavano a velocità enorme, il che avrebbe spiegato la ragione per cui si propagava in linea retta e produceva delle ombre nette.
Restavano però ancora varie domande imbarazzanti. Per esempio, perché le particelle di luce verde venivano rifratte più di quelle di luce gialla? Come mai due fasci di luce possono incrociarsi senza esercitare alcuna azione l’uno sull’altro – come, cioè, se le particelle non entrassero in collisione?
Nel 1678, il fisico olandese Christiaan Huygens avanzò una teoria alternativa, secondo la quale la luce consisteva di piccolissime onde.
Ma neppure la teoria ondulatoria di Huygens era del tutto soddisfacente: per esempio, non spiegava perché i raggi luminosi si propaghino in linea retta e producano ombre dai contorni netti, né come mai le onde luminose non aggirino gli ostacoli, come fanno invece le onde sonore e quelle che si formano nell’acqua. Per di più, se la luce è fatta di onde, come fa a propagarsi nel vuoto, cosa che sembrava facesse senz’ombra di dubbio, dal momento che arrivava dal sole e dalle stelle, attraversando lo spazio? Quale mezzo la trasmetteva?
Nel 1801 un medico e fisico inglese, Thomas Young, effettuò un esperimento che fece pendere la bilancia dalla parte “ondulatoria”. Egli fece passare un sottile raggio di luce attraverso due fori situati a pochissima distanza, dietro ai quali aveva collocato uno schermo. Se la luce fosse stata costituita di particelle, era presumibile che i due raggi che uscivano dai fori avrebbero semplicemente prodotto sullo schermo una regione più luminosa dove si sovrapponevano e altre meno luminose dove non si sovrapponevano.
Ma non fu questo ciò che Young osservò: lo schermo presentava una serie di frange luminose, ciascuna separata da quella contigua da una frangia scura. La teoria ondulatoria poteva spiegare facilmente questo effetto: la frangia luminosa corrispondeva a punti in cui le onde di un raggio erano rafforzate da quelle dell’altro; in altri termini, le due serie di onde erano “in fase”, cioè i loro massimi coincidevano, rinforzandosi a vicenda.
Le frange scure, invece, corrispondevano a zone in cui le onde erano “fuori fase”, cioè il minimo dell’una annullava il massimo dell’altra; in queste zone le onde, anziché rinforzarsi a vicenda, interferivano l’una con l’altra, dando come energia luminosa totale zero.
La ragione per cui le onde luminose viaggiano in linea retta e proiettano ombre nette è che le loro dimensioni sono incomparabilmente minori di quelle degli oggetti ordinari; le onde possono aggirare un ostacolo soltanto quando quest’ultimo non è molto più grande della lunghezza d’onda. Perfino i batteri, per fare un esempio, sono molto più grandi della lunghezza di un’onda luminosa, ed è per questo che la luce può darne un’immagine ben definita al microscopio.
Mentre si accumulavano le prove a favore della natura ondulatoria della luce, gli scienziati seguitavano a essere assillati da una domanda inquietante: come può la luce propagarsi nel vuoto? Altri tipi di onde – per esempio, quelle sonore – richiedono un mezzo materiale.
Il fisico tedesco Max Karl Ernst Ludwig Planck affrontò risolutamente il problema, e scoprì che si doveva introdurre un concetto del tutto nuovo, se si voleva ottenere un’equazione che si accordasse con i fatti. Egli avanzò l’ipotesi che la luce fosse fatta di piccole unità, o pacchetti, così come la materia è fatta di atomi, e chiamò l’unità di radiazione “quanto”. Planck pensò che la radiazione potesse essere assorbita solo in numeri interi di quanti, e in più avanzò l’ipotesi che l’energia di un quanto dipendesse dalla lunghezza d’onda della radiazione.
Un metallo, quando viene illuminato con una radiazione elettromagnetica sufficientemente energetica, emette elettroni. La spiegazione qualitativa di questo fenomeno, che prende il nome di effetto fotoelettrico, è abbastanza semplice. Gli elettroni assorbono energia dalla radiazione incidente, per poter sfuggire dalla “trappola” costituita dal metallo stesso.
Nel 1905 Albert Einstein riprese l’ipotesi di Max Planck e riuscì a spiegare in maniera tanto semplice quanto brillante tutte le principali caratteristiche fisiche dell’effetto fotoelettrico.
Einstein suppose non solo che gli scambi di energia tra la radiazione e la materia avvengono in modo quantistico, ma che la radiazione stessa sia composta da quanti (i fotoni) di energia proporzionale alla frequenza.
Per liberarsi dal metallo un elettrone deve allora assorbire un fotone. Se il fotone è poco energetico, ovvero se la sua frequenza è troppo bassa, l’elettrone non riesce ad acquistare l’energia necessaria per sfuggire il metallo. Se, al contrario, il fotone è sufficientemente energetico, quando viene assorbito, parte dell’energia viene utilizzata dall’elettrone per liberarsi dal metallo, e parte viene trasformata in energia cinetica. L’energia cinetica degli elettroni emessi dipende quindi direttamente dalla frequenza della radiazione incidente.
Tutte le previsioni derivate dall’ipotesi di Einstein, previsioni che non sono deducibili dalla teoria ondulatoria classica dell’elettromagnetismo, trovarono ampia conferma sperimentale. La teoria quantistica della radiazione va lentamente imponendosi sulla teoria classica.
Gli importanti risultati ottenuti dallo studio di questo fenomeno si possono schematizzare in tre fondamentali punti:

  • Si ha emissione fotoelettrica solo se la frequenza della radiazione incidente è superiore al valore della soglia fotoelettrica;
  • L’energia cinetica degli elettroni emessi dipende dalla frequenza della radiazione incidente e non dalla sua intensità;
  • Il numero degli elettroni emessi per unità di tempo aumenta all’aumentare dell’intensità della radiazione elettromagnetica incidente.

Einstein riuscì a spiegare questo fenomeno supponendo che l’energia dell’onda fosse concentrata in pacchetti discreti chiamati fotoni. Egli considerò che l’energia cinetica acquistata dagli elettroni doveva essere equivalente all’energia posseduta dai fotoni.
L’intensità del raggio incidente determina invece il numero degli elettroni destinati ad uscire dall’orbita: più sono i fotoni incidenti più elettroni verranno a contatto con essi.
Numerose sono le applicazioni pratiche dell’effetto fotoelettrico: celle fotovoltaiche, televisori, cinema sonoro, macchine fotografiche, tutti i casi cioè in cui si vuole evidenziare, mediante un impulso di corrente, una variazione di un effetto luminoso.
Spero questa volta di essere stato un po’ più chiaro (Franz, che dici?), in ogni modo questi argomenti saranno presto ripresi nel prossimo capitolo, in cui parlerò di onde e corpuscoli in maniera più “tecnica”.

2 pensieri riguardo “L’effetto fotoelettrico for dummies

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