EFFETTO FOTOELETTRICO La radiazione incidendo sulla superficie di un metallo causa lemissione di...
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EFFETTO EFFETTO FOTOELETTRICOFOTOELETTRICO
La radiazione incidendo
sulla superficie di un
metallo causa l’emissione
di elettroni
Hertz 1887
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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
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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
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Potassio - 2 eV necessari per far emettere un elettronePotassio - 2 eV necessari per far emettere un elettrone
EEfotonefotone = h = hνν
EFFETTO FOTOELETTRICOe
FREQUENZA
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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
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INTENSITA’ MAGGIORE
INTENSITA’ MINORE
NUMERO DI ELETTRONIEMESSI
EFFETTO FOTOELETTRICOe
INTENSITA’
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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
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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
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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.”
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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
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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
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FOTONI ed INTERFERENZA
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Ciascun fotone interferisce con se stesso
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Se cerchiamo di scoprire attraverso quale fenditura il fotone passa, il fenomeno dell’interferenza sparisce.
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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.
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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
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CELLULA FOTOELETTRICA
FOTOMOLTIPLICATORI
CAMERA OSCURA
ABBRONZATURA E RAGGI UV
VISIONE E COLORI
SPETTROSCOPIA FOTOELETTRONICA
FOTONE
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Dispositivi per la visione notturna
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FOTOMOLTIPLICATORE
fotone
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Pannelli solari
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SPETTRO FOTOELETTRONICO
h = I + ½ mv2
Lampada
Campione
Rivelatore
Analizzatoreelettrostatico
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Dualismo onda-particella della luce
Fotoni
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DUALISMOONDA-PARTICELLA
RADIAZIONE INTERFERENZA ONDA EFFETTO FOTOELETTRICO FOTONE
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EINSTEINEINSTEIN
c
hhE 2mcE
mc
h
DE BROGLIEDE BROGLIE
vm
h
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Relazione di de Broglie tra momento della particella e lunghezza d’onda
momento grande λ piccola
momento piccolo λ grande
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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
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DIFFRAZIONE DI ELETTRONI
100
3000
70000
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DIFFRAZIONE
raggi X elettroni neutroni
foglio di Al
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DIFFRAZIONE DI C60
con reticolo
senza reticolo
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Tetrafenilporfirina
C60F48
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• 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)(
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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
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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.”
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Aspetto:Rettangolo ?Cerchio ?RealtàCilindro !
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• La fisica classica tratta particelle ed onde come entità distinte
• Per rendere conto del DUALISMO onda – particella occorre una nuova descrizione
MECCANICA QUANTISTICA