Re: R: Effetto fotoelettrico

From: Valter Moretti <moretti_at_science.unitn.it>
Date: 1999/12/23

Ciao pare che non abbiate detto, in soldoni, una cosa importante
 sperimentale dell'effetto fotelettrico, probabilmente il fatto piu'
 importante ed inspiegabile classicamente (Francesco ha cercato di dare
 una spiegazione di questo fatto importante che ora diro', ma non ha
 detto quale era il fatto sperimentale, Alessandro lo ha accennato nella
 prima riga ma e' non ha detto molto di piu').
 Il fatto piu' sorprendente dell'effetto fotoelettrico era la soglia
 sulle frequenze insieme all'istantaneita' del fenomeno.

 Vediamo cosa si aspettavano i fisici fino alla scoperta dell' effetto
 fotoelettrico spiegato da Einstein nel 1905.

 Se uno prende un materiale (metallo alcalino) ed ha un'idea, anche vaga
 della sua struttura atomica e del fatto che gli atomi contengono
 elettroni e che si stacchino dall'atomo se ricevono sufficiente
 energia, si aspetta che investendo il materiale (cioe' ogni singolo
 atomo) con luce (ovvero onde elettromagnetiche) di *qualsiasi*
 frequenza, e aspettando un tempo sufficientemente lungo in modo che gli
 elettroni assorbano sufficiente energia, alla fine si abbia una
 emissione di questi ultimi.
 
 Si possono (potevano) fare delle stime tenendo conto dell'energia,
 classicamente *proporzionale* all'ampiezza dell'onda ed *indipendnente
 dalla frequenza*, dell'onda elettro magnetica (EM) che investe
 il singolo atomo del metallo per stabilire dopo *quanto tempo* qualche
 elettrone salta fuori. Questo quando il metallo e' investito da onde
EM
 di *qualsiasi* frequenza ed ampiezza assegnate.

 Ci si aspetta, pensando classicamente, che il tempo sia tanto piu'
 lungo quanto sia piccola l'ampiezza dell'onda (cioe' l'energia che
 assorbe il singolo atomo per unita' di tempo).

 Tutte queste stime sono immancabilmente falsificate dall'esperienza
 per due motivi

 (1) si osserva che *indipendentemente dall'ampiezza
 dell'onda*, se la frequenza della luce e' superiore ad un certo
 valore dipendente dal materiale, allora c'e' emissione di elettroni,
 il cui *numero* e' *proporzionale* all'ampiezza dell'onda.
 Se la frequenza e' inferiore alla soglia non c'e'alcuna emissione.
 
 (2) l'emissione, quando c'e' e' istantanea.


 (il fenomeno sperimentale ha molte altre particolarita' inspegabili
 classicamente, io faccio solo un sunto di alcune proprieta'
 determinanti)

 La spiegazione di Einstein si baso' sulle seguenti rivoluzionare
 ipotesi:

  (a) la luce e' in realta' composta di *particelle*: i fotoni;

  (b) il cui numero e' *proporzionale all'ampiezza* classica dell'onda;

  (c) ciascuna particella porta una energia proporzionale alla
  *frequenza* dell'onda classica secondo una costante universale
  indipendente da tutto il resto (costante di Planck).


 Notare che in quest'ottica, l'energia *totale* dell'onda e' ancora
 *proporzionale all'ampiezza* (a)+(b) e cio' non contraddiceva i
 fatti classici noti fino a quel tempo, pero' (c) dice che l'energia
 di ciascuna singola particella di luce dipende dalla *frequenza*
 dell'onda e questo, insieme ad (a) era una novita' rispetto alle teorie
 sulla luce fino al 1905.


 Gli elettroni (cio' e'sperimantalmente abbastanza evidente
 nell'elettrone piu' esterno dei metalli alcalini) devono ricevere una
 minima energia (energia legame) per sfuggire all'atomo,
 se ricevono un'energia maggiore, la differenza diventa energia cinetica
 (in pratica velocita') degli elettroni che sfuggono dall'atomo.

 L'idea ulteriore di Einstein fu che

 (d) gli elettroni nell'atomo possono ricevere l'energia della luce
 assorbendo istantaneamente singole particelle di luce, cioe' porzioni
 finite di energia.

 Se la frequenza e' troppo bassa, l'energia assorbita dall'elettrone
 ricevendo un fotone (la probabilita' di riceverne piu' di uno insieme
 e' supposta trascurabile) non e' sufficiente a staccarlo dall'atomo (e
 viene impiegata per altri processi...[per es. alla fine riemessa come
 fotoni uscenti dal metallo o trasferita sotto forma di altro tipo di
 energia: energia vibrazionale del reticolo: cioe' il metallo si
 scalda]).
 
 Questo spiega la soglia sulle frequenze riguardo all'emissione dei
 fotoni e l'istantaneita' del fenomeno.

 Inoltre, piu' l'onda EM incidente sul metallo ha ampiezza grande
 piu'fotoni contiene, e se la frequenza supera la soglia minima, tanti
 piu' elettroni escono dagli atomi, e questo spiega la proporzionalita'
 degli elettroni all'ampiezza dell'onda elettromagnetica incidente sul
 metallo alcalino.


 Tutto questo ha aperto la strada alla teoria quantistica della luce.

 Dal punto di vista epistemologico faccio notare che le idee
 quantistiche di Einstein sono SUFFICIENTI a spiegare il fenomeni
 connessi all'effetto fotoelettrico, ma non sappiamo se sono NECESSARIE.

 Tutta la scienza e' cosi', nessuno puo' dire se tra 10, 20, 100 anni
 si trovera' una spiegazione differente dello stesso fenomeno come di
 qualunque altro.


 Ciao, Valter Moretti
Received on Thu Dec 23 1999 - 00:00:00 CET