DALL’EFFETTO
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FOTOELETTRICO ALLA
SPETTROSCOPIA DI
FOTOEMISSIONE
Laboratorio di fisica moderna
per il biennio 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 (con fisica quinquennale)
Cl
Classi:
i seconda
d
Durata preparazione a scuola: max 8 ore
Durata attività in laboratorio: 3 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%.
La proposta di questa attività per una classe
seconda trova le sue ragioni didattiche nella
constatazione che, al di là delle implicazioni
g
l’introduzione della
storiche e teoriche riguardanti
meccanica quantistica, almeno nell’approccio di
seguito descritto, l’effetto fotoelettrico si presta
ottimamente all’applicazione di tutte quelle
competenze di raccolta ed analisi dati che
rientrano tra gli obiettivi principali di un corso di
fisica a carattere sperimentale per il biennio.
Nel contempo l’esperimento, paragonato a quelli
normalmente svolti nei laboratori scolastici, risulta
più
iù stimolante
ti l t per llo studente
t d t che
h llavora con
strumentazioni sofisticate e all’interno di un
quadro teorico di riferimento non artefatto ma con
dirette e concrete applicazioni alla ricerca attuale.
Inoltre, pur senza alcuna pretesa di completezza
e solo da un punto di vista fenomenologico, si
possono anche introdurre alcuni dei concetti
fondamentali che stanno alla base della fisica
moderna
moderna.
Dopo aver illustrato l’intero apparato sperimentale ed avviata la raccolta dati, gli studenti sono
guidati nell’analisi del grafico V-i, direttamente
fornito dallo strumento, cogliendone analogie e
differenze con altri grafici simili (tipicamente
ohmmici) a loro noti; in particolare si evidenzierà
l’esistenza di un potenziale negativo che annulla
[pot. d’arresto: Vstop]].
la corrente fotoemessa [p
In tale fase l’attenzione degli studenti sarà
indirizzata sugli strumenti di misura utilizzati,
analoghi a quelli utilizzati nei normali laboratori
didattici, ma molto più sensibili, in particolare
l’amperometro [foto sopra] in grado di misurare
correnti dell’ordine di 10-12A, e sulla comodità di
apparati in grado di effettuare in modo veloce ed
automatizzato la raccolta e l’analisi di un gran
numero di dati.
Ripetendo le misure variando la frequenza (nota)
della luce incidente si ottengono grafici tra loro
simili ma con diversi valori di Vstop.
Gli studenti possono quindi riportare su grafico
cartesiano [in alto] le coppie di valori così ottenute
e, mediante un’analisi di tipo grafico e/o
matematico, riconoscere l’esistenza di una
correlazione lineare tra le due grandezze e
ricavare la pendenza della retta interpolante i dati.
Il fatto che la relazione non sia di semplice
proporzionalità, ma lineare, permette di introdurre
il concetto di frequenza di soglia, il cui valore è
ricavabile dai dati sperimentali.
1.2
Potenziale d'arresto (V)
Cosa fare - cosa osservare:
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
00
0.0
4.5
5.0
5.5
6.0
6.5
Frequenza (1/s)
7.0 7.5x10
14
L’analisi dell’intero esperimento mediante grafici
dell’energia (introdotti in classe) permette di
legare il Vstop direttamente all’energia dei fotoni
incidenti e di riconoscere nella pendenza della
retta la costante di Planck.
Approfondimenti:
L’attività può concludersi con una breve visita ai
laboratori del Dipartimento di Fisica in cui
vengono correntemente utilizzati metodi di
indagine basati sull’effetto fotoelettrico.
Con maggior tempo a disposizione [anche
durante stage] gli studenti più interessati possono
completare l’indagine del fenomeno analizzando
le variazioni delle caratteristiche di corrente al
variare dell’intensità del fascio luminoso
[indipendenza di Vstop -andamento della corrente
di saturazione] e/o acquisendo tecniche più
sofisticate, sia grafiche che analitiche, per la
determinazione del Vstop.
Indicazioni didattiche
prerequisiti
• circuiti elettrici elementari: corrente, potenziale e loro
misura
• cenni alla natura ondulatoria della luce (frequenza, e
colore) e alla struttura microscopica dei metalli
• energia cinetica, potenziale, totale; grafici dell’energia
obiettivi didattici
• acquisire e/o consolidare capacità di raccolta ed
analisi dati (uso di grafici cartesiani, interpolazione
dati, determinazione di cost. di proporzionalità)
• correlazione lineare tra grandezze
• introduzione di concetti di fisica moderna (fotone)
Per ulteriori informazioni e materiale:
www.pysicscom.unimore.it/laboratorididattici.html
[email protected]
