DALL’EFFETTO
1
FOTOELETTRICO ALLA
SPETTROSCOPIA DI
FOTOEMISSIONE
Laboratorio di fisica moderna
per il triennio dei Licei
La comprensione dell’effetto fotoelettrico ha avuto
un’importanza fondamentale nel passaggio dalla
fisica classica a quella quantistica. Attualmente
esso costituisce il cuore della spettroscopia di
fotoemissione, un moderno metodo di indagine
delle proprietà chimico-fisiche dei materiali.
L’effetto fotoelettrico consiste nell’emissione di
elettroni da una superficie colpita da radiazione
luminosa. Solo se la frequenza della radiazione
incidente supera un valore di soglia, gli elettroni
ricevono sufficiente energia per fuoriuscire dalla
superficie Le modalità con cui si verifica l’effetto
superficie.
l effetto
fotoelettrico permettono la misurazione diretta di
h, la costante di Planck.
Come si realizza in pratica l’effetto fotoelettrico?
La luce di una lampada a vapori di mercurio viene
diffratta da un prisma e suddivisa nelle righe dello
spettro. Ogni riga è caratterizzata da un proprio
colore, lunghezza d’onda
d onda λ e frequenza ν (dove
λν=c) . Selezionata una riga, si fa incidere la luce
monocromatica sul fotocatodo, racchiuso in una
ampolla a vuoto. Se la frequenza ν della luce è
sufficientemente alta, la superficie metallica del
fotocatodo emette elettroni che vengono
accelerati e catturati all’anodo, dando luogo ad
una debole corrente anodica.
Numero max partecipanti: 20-25
Scuola: Liceo
Cl
Classi:
i quarta-quinta
t
i t
Durata preparazione a scuola: max 6-8 ore
Durata attività in laboratorio: 4 ore
Interattività:
Il potenziale anodico e la corrente anodica sono
rilevati in tempo reale. L’elettrone esce dal
materiale con energia cinetica massima pari alla
differenza tra l’energia del fotone incidente e
quella necessaria per l’estrazione φ (caratteristica
del materiale). Se il potenziale anodico è
sufficientemente negativo, nessuno degli elettroni
fotoemessi raggiunge l’anodo e la corrente
anodica si annulla: il potenziale anodico così
trovato è definito potenziale di arresto Vstop. Il
potenziale di arresto è correlato linearmente alla
frequenza della luce incidente dalla nota
relazione di Einstein:
eV stop = hν – φ.
Sperimentalmente si ottiene il grafico potenziale
di arresto – frequenza, dalla cui pendenza si
ricava il valore della costante di Planck, con un
errore complessivo inferiore al 10%.
Cosa fare - cosa osservare:
L’effetto fotoelettrico ha rappresentato, con
l’effetto Compton, la radiazione di corpo nero e
gli spettri atomici, la soglia tra fisica classica e
meccanica quantistica ed è tuttora una delle
prove più convincenti della natura corpuscolare
della luce. La spiegazione dell’effetto data da
Einstein nel 1905 evidenziò per la prima volta la
quantizzazione dell’energia trasportata dalla luce:
fu la nascita del fotone.
Intensità di Corrente (nA)
Ek=hν−φ
Nel grafico sotto sono rappresentati i dati raccolti
e la retta di migliore interpolazione. Utilizzando
un foglio elettronico o direttamente si
può calcolare la pendenza della retta di
regressione lineare ed ottenere la costante di
Planck , dato che, dalla relazione di Einstein
eV stop = hv – W, si ricava che la costante di
Planck è il prodotto della pendenza della retta e
della carica elementare dell’elettrone.
È sorprendente alla fine ricavare un valore
spesso molto vicino a quello tabulato e
soprattutto di un ordine di grandezza così lontano
dal mondo quotidiano (10-34 Js). L’intercetta
inoltre fornisce informazioni sul potenziale di
estrazione
t i
e quindi
i di sullo
ll stato
t t di llegame
dell’elettrone nel materiale.
Approfondimenti:
2
4
6
8
10
12
Potenziale (V)
L’esperimento sull’effetto fotoelettrico permette di
g associata alla radiazione.
misurare l’energia
Infatti agendo sul potenziale tra catodo e anodo è
possibile regolare la quantità di elettroni
fotoemessi raccolti all’anodo e quindi il valore
della corrente anodica fino ad ottenerne il
completo annullamento. Le correnti misurate
sono debolissime, dell’ordine del nA (10 -9 A). Si
osserva che la corrente anodica diminuisce
drasticamente se si frappone un filtro che attenua
l’intensità della luce incidente, ma il potenziale di
arresto non dipende dall’intensità della luce
incidente. Ma ciò che risulta fondamentale è
l’osservazione che si può fare attraverso le
acquisizioni ottenute illuminando la superficie con
luce di diverso colore. Nel grafico sono
rappresentate le serie di dati raccolte illuminando
il fotocatodo con luce violetta, blu, turchese, verde
e gialla,
i ll iin ascisse
i
il potenziale
t
i l anodico
di ed
d iin
ordinate la corrente anodica: dal grafico è
possibile misurare per ogni riga il potenziale di
arresto. I valori (assoluti) del potenziale di arresto
vanno per il mercurio da 0,1 V a circa 1 V ed
aumentano con la frequenza della luce incidente,
secondo una legge di correlazione lineare.
1.2
Potenziale d'arresto (V)
0
Lo studio degli elettroni emessi da superfici
illuminate da radiazione di energia variabile
costituisce la tecnica della spettroscopia da
f t
fotoemissione
i i
che
h ttrova ampii utilizzi
tili i iin svariati
i ti
campi della fisica per individuare le differenti
specie atomiche, determinarne le concentrazioni
e indagare lo stato di legame degli elettroni nei
materiali. Alcune delle applicazioni di tali metodi
saranno illustrate durante una visita ai laboratori
del Dipartimento di Fisica
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
4.5
5.0
0
5.5
60
6.0
6
6.5
Frequenza (1/s)
14
7.0
0 7.5x10
10
Indicazioni didattiche
prerequisiti
• meccanica ondulatoria, concetto di potenziale ed
energia elettrica
• correlazione lineare tra grandezze
obiettivi didattici
• acquisire dimestichezza con i processi
di modellizzazione
• verificare l’ipotesi della natura corpuscolare della luce
e della quantizzazione dell’energia del fotone
Per ulteriori informazioni e materiale:
www.pysicscom.unimore.it/laboratorididattici.html
[email protected]
