EFFETTO EFFETTO FOTOELETTRICOFOTOELETTRICO

La radiazione incidendo

sulla superficie di un

metallo causa l’emissione

di elettroni

Hertz 1887

L’apparato sperimentale

Catodo ed anodo metallici chiusi in un tubo di vetro in cui è fatto il vuoto

Vuoto : gli elettroni possono passare dal catodo all’anodo senza collidere con le molecole

Luce monocromatica illumina il catodo: il passaggio di elettroni dal catodo all’anodo è rivelato dal galvanometro

ESPERIMENTO

Se < SOGLIA NON si ha emissione di e-

Se > SOGLIA

emissione immediata di e-

Energia cinetica degli e- emessi proporzionale a indipendente da I

Potassio - 2 eV necessari per far emettere un elettronePotassio - 2 eV necessari per far emettere un elettrone

EEfotonefotone = h = hνν

EFFETTO FOTOELETTRICOe

FREQUENZA

EFFETTO FOTOELETTRICOe

FREQUENZAE

cin

etic

a d

el f

otoe

lett

ron

eE

cin

etic

a d

el f

otoe

lett

ron

e

Frequenza della radiazione incidenteFrequenza della radiazione incidente

Potenziale Potenziale ionizzazioneionizzazionecrescentecrescente

frequenza

ener

gia

cin

etic

a e

-

pendenza = h

INTENSITA’ MAGGIORE

INTENSITA’ MINORE

NUMERO DI ELETTRONIEMESSI

EFFETTO FOTOELETTRICOe

INTENSITA’

FISICA CLASSICA

Il campo elettrico E della luce esercita una forza F = -e E sugli elettroni Energia cinetica del fotoelettrone

~ all’ampiezza dell’onda Energia trasferita al metallo ~ tempo

Qualunque causa emissione di e-

Emissione ritardata

FISICA CLASSICA

Al crescere dell’intensità dovrebbe crescere il numero degli elettroni liberati e la loro velocità

Continuando a fornire energia si dovrebbe avere liberazione di elettroni

Al crescere della frequenza dovrebbe crescere il numero degli elettroni liberati e la loro velocità

Albert Einstein 1905

La luce si comporta come una particella, detta fotone

Ciascun fotone ha un’energia E = h

Premio Nobel 1921 “For his services to Theoretical Physics, and especially for his discovery of the law of the photoelectric effect.”

Energia necessaria per rimuovere un e- dal metallo

Energia cinetica dell’ e- emesso

En

ergi

a fo

rnit

ad

al f

oton

e

Energia del fotoneinsufficiente

Energia del fotone sufficienteEccesso di energia = E cinetica del fotoelettrone

Fotone ha energia E = h

se E < Eionizzazione non si ha effetto fotoelettrico soglia

se E > Eionizzazione l’e- mantiene l’eccesso di energia come energia cinetica h = Eionizzazione + ½ m v2

al crescere di all’e- rimane una crescente quantità di energia

al crescere dell’intensità cresce il numero di fotoni

FOTONI ed INTERFERENZA

Ciascun fotone interferisce con se stesso

Se cerchiamo di scoprire attraverso quale fenditura il fotone passa, il fenomeno dell’interferenza sparisce.

Il fotone come modello della luce

1. La luce consiste di unità discrete prive di massa dette fotoni. Un fotone viaggia nel vuoto alla velocità di 3.00 x 108 m/s.

2. Ciascun fotone ha un’energia E = h, dove è la frequenza della radiazione e h è la costante di Planck (h = 6.63 x 10-34 J s).

La luce é costituita da “pacchetti” discreti di energia, ciascuno di grandezza h .

3. La sovrapposizione di un numero sufficientemente grande di fotoni ha le caratteristiche di un’onda classica di luce.

Einstein (1924)

“ There are therefore now two theories of light, both indispensable, and … without any logical connection.”

Evidenza della natura ondulatoria della luce• InterferenzaEvidenza della natura di particella della luce• Effetto fotoelettrico

CELLULA FOTOELETTRICA

FOTOMOLTIPLICATORI

CAMERA OSCURA

ABBRONZATURA E RAGGI UV

VISIONE E COLORI

SPETTROSCOPIA FOTOELETTRONICA

FOTONE

Dispositivi per la visione notturna

FOTOMOLTIPLICATORE

fotone

Pannelli solari

SPETTRO FOTOELETTRONICO

h = I + ½ mv2

Lampada

Campione

Rivelatore

Analizzatoreelettrostatico

Dualismo onda-particella della luce

Fotoni

DUALISMOONDA-PARTICELLA

RADIAZIONE INTERFERENZA ONDA EFFETTO FOTOELETTRICO FOTONE

EINSTEINEINSTEIN

c

hhE 2mcE

mc

h

DE BROGLIEDE BROGLIE

vm

h

Relazione di de Broglie tra momento della particella e lunghezza d’onda

momento grande λ piccola

momento piccolo λ grande

ESPERIMENTO DI DAVISSON E GERMER

Un fascio di elettroni colpisce un reticolo cristallinoLa distribuzione degli elettroni che sono diffusi dal reticolo dipende dall’angolo

DIFFRAZIONE

Le particelle si comportano come onde con =h/mv

VERIFICA dell’ipotesi di DE BROGLIE

DIFFRAZIONE DI ELETTRONI

100

3000

70000

DIFFRAZIONE

raggi X elettroni neutroni

foglio di Al

DIFFRAZIONE DI C60

con reticolo

senza reticolo

Tetrafenilporfirina

C60F48

• Perché non sono osservati effetti delle onde associate alle particelle (diffrazione) nella vita di ogni giorno?

• Gli oggetti macroscopici hanno lunghezze d’onda troppo piccole per interagire con le fenditure, ma oggetti di dimensione atomica si possono comportare come onde!

Oggetto macroscopico – pallina da ping pong

Oggetto microscopico – “elettrone lento” (1% velocità della luce)

msmkg

sJ

mv

hpongpingpallina 32

3

34

106.6)/5)(102(

1063.6)(

msmkg

sJ

mv

helettrone 10

631

34

103.7)/10)(101.9(

1063.6)(

Sostanza Massa (g) Velocità(m/s) λ (m)

e- lento 9 x 10-28 1.0 7 x 10-4

e- veloce 9 x 10-28 5.9 x 106 1 x10-10

particella 6.6 x 10-24 1.5 x 107 7 x 10-15

massa 1 g 1.0 0.01 7 x 10-29

baseball 142 25.0 2 x 10-34

terra 6.0 x1027 3x 104 4 x 10-63

Lunghezza d’onda di de Broglie di alcuni oggetti

CONCLUSIONEI fenomeni a livello atomico hanno un duplice aspetto, corpuscolare ed ondulatorio, che non sono mai osservati contemporaneamente nello stesso esperimento.

Principio di Complementarità (Niels Bohr)

DUALISMO onda-particella

Richard Feynman: “…a phenomenon which is impossible, absolutely impossible, to explain in any classical way, and which has in it the heart of quantum mechanics. In reality it contains the only mystery.”

Aspetto:Rettangolo ?Cerchio ?RealtàCilindro !

• La fisica classica tratta particelle ed onde come entità distinte

• Per rendere conto del DUALISMO onda – particella occorre una nuova descrizione

MECCANICA QUANTISTICA