L'effetto fotoelettrico si riferisce a ciò che accade quando gli elettroni vengono emessi da un materiale che ha assorbito la radiazione elettromagnetica. Il fisico Albert Einstein è stato il primo a descrivere pienamente l'effetto e ha ricevuto un premio Nobel per il suo lavoro.
Qual è l'effetto fotoelettrico?
La luce con energia al di sopra di un certo punto può essere utilizzata per liberare gli elettroni, liberandoli da una solida superficie metallica, secondo Scientific American. Ogni particella di luce, chiamata fotone, si scontra con un elettrone e utilizza parte della sua energia per rimuovere l'elettrone. Il resto dell'energia del fotone si trasferisce alla carica negativa libera, chiamata fotoelettrone.
Comprendere come funziona rivoluzionò la fisica moderna. Le applicazioni dell'effetto fotoelettrico ci hanno portato apriporta "ad occhio elettrico", esposimetri usati in fotografia, pannelli solari e copia fotostatica.
Scoperta
Prima di Einstein, l'effetto era stato osservato dagli scienziati, ma erano confusi dal comportamento perché non comprendevano appieno la natura della luce. Alla fine del 1800, i fisici James Clerk Maxwell in Scozia e Hendrik Lorentz nei Paesi Bassi determinarono che la luce sembra comportarsi come un'onda. Ciò è stato dimostrato dal modo in cui le onde luminose dimostrano interferenze, diffrazione e dispersione, che sono comuni a tutti i tipi di onde (comprese le onde nell'acqua).
Quindi l'argomento di Einstein nel 1905 secondo cui la luce può anche comportarsi come un insieme di particelle era rivoluzionario perché non si adattava alla teoria classica della radiazione elettromagnetica. Altri scienziati avevano postulato la teoria prima di lui, ma Einstein fu il primo a elaborare completamente il motivo per cui si verificò il fenomeno e le implicazioni.
Ad esempio, Heinrich Hertz della Germania fu la prima persona a vedere l'effetto fotoelettrico, nel 1887. Scoprì che se proiettava luce ultravioletta su elettrodi metallici, abbassava la tensione necessaria per far muovere una scintilla dietro gli elettrodi, secondo l'astronomo inglese David Darling.
Quindi, nel 1899, in Inghilterra, J.J. Thompson ha dimostrato che la luce ultravioletta che colpisce una superficie metallica ha causato l'espulsione di elettroni. Una misura quantitativa dell'effetto fotoelettrico arrivò nel 1902, con il lavoro di Philipp Lenard (un ex assistente di Hertz.) Era chiaro che la luce aveva proprietà elettriche, ma quello che stava succedendo non era chiaro.
Secondo Einstein, la luce è formata da piccoli pacchetti, inizialmente chiamati quanti e successivamente fotoni. Il modo in cui i quanti si comportano sotto l'effetto fotoelettrico può essere compreso attraverso un esperimento mentale. Immagina un marmo che circonda in un pozzo, che sarebbe come un elettrone legato a un atomo. Quando un fotone entra, colpisce il marmo (o elettrone), dandogli abbastanza energia per fuggire dal pozzo. Questo spiega il comportamento delle superfici metalliche che colpiscono la luce.
Mentre Einstein, allora giovane impiegato in brevetti in Svizzera, spiegò il fenomeno nel 1905, ci vollero altri 16 anni per ottenere il premio Nobel per il suo lavoro. Ciò avvenne dopo che il fisico americano Robert Millikan non solo verificò il lavoro, ma trovò anche una relazione tra una delle costanti di Einstein e la costante di Planck. Quest'ultima costante descrive come le particelle e le onde si comportano nel mondo atomico.
Ulteriori primi studi teorici sull'effetto fotoelettrico furono condotti da Arthur Compton nel 1922 (che mostrò che anche i raggi X potevano essere trattati come fotoni e si guadagnò il Premio Nobel nel 1927), così come Ralph Howard Fowler nel 1931 (che osservò il relazione tra temperature dei metalli e correnti fotoelettriche.)
Applicazioni
Mentre la descrizione dell'effetto fotoelettrico sembra altamente teorica, ci sono molte applicazioni pratiche del suo lavoro. Britannica ne descrive alcuni:
Le celle fotoelettriche sono state originariamente utilizzate per rilevare la luce, utilizzando un tubo a vuoto contenente un catodo, per emettere elettroni e un anodo, per raccogliere la corrente risultante. Oggi, questi "fototubi" sono passati ai fotodiodi basati su semiconduttori che vengono utilizzati in applicazioni come le celle solari e le telecomunicazioni in fibra ottica.
I tubi fotomoltiplicatori sono una variazione del fototubo, ma hanno diverse piastre metalliche chiamate dinodi. Gli elettroni vengono rilasciati dopo che la luce colpisce i catodi. Gli elettroni quindi cadono sul primo sinodo, che rilascia più elettroni che cadono sul secondo sinodo, quindi sul terzo, quarto e così via. Ogni sinodo amplifica la corrente; dopo circa 10 dinodi, la corrente è abbastanza forte da consentire ai fotomoltiplicatori di rilevare anche singoli fotoni. Esempi di questo sono usati nella spettroscopia (che suddivide la luce in diverse lunghezze d'onda per saperne di più sulle composizioni chimiche della stella, per esempio) e le scansioni tomografiche assiali computerizzate (CAT) che esaminano il corpo.
Altre applicazioni di fotodiodi e fotomoltiplicatori includono:
- tecnologia di imaging, inclusi tubi (più vecchi) per telecamere o intensificatori di immagini;
- studiare i processi nucleari;
- analisi chimica dei materiali in base ai loro elettroni emessi;
- fornendo informazioni teoriche su come gli elettroni negli atomi passano da uno stato energetico all'altro.
Ma forse l'applicazione più importante dell'effetto fotoelettrico stava dando il via alla rivoluzione quantistica, secondo
Scientific American. Ha portato i fisici a pensare alla natura della luce e alla struttura degli atomi in un modo completamente nuovo.
