I fotoni

L’effetto fotoelettrico: la luce fatta di fotoni

Illuminando un metallo con luce ultravioletta se ne strappano elettroni. Ma con luce rossa, anche intensissima, non esce nessun elettrone; e l’energia degli elettroni emessi dipende dal colore della luce, non dalla sua intensità. Nel 1905 Einstein spiegò tutto supponendo che la luce sia fatta di fotoni, ciascuno con energia h f, e che ogni fotone ceda la sua energia a un solo elettrone.

Energia di un fotone —
Lavoro di estrazione —
Energia cinetica massima degli elettroni —
Potenziale d’arresto —
Efotone = h f = h c / λ
Kmax = h f − W (se h f > W)

Per uscire dal metallo un elettrone deve ricevere almeno il lavoro di estrazione W: 2,1 eV per il cesio, 2,3 eV per il sodio, 4,3 eV per lo zinco. Un fotone da solo deve bastare: se h f è minore di W non esce nessun elettrone, qualunque sia l’intensità. Per il sodio la soglia è a 544 nm, luce verde.

Sopra la soglia, l’energia che avanza diventa energia cinetica dell’elettrone: Kmax = h f − W. Il grafico è una retta di pendenza h, uguale per tutti i metalli, che parte dalla frequenza di soglia. Con luce a 400 nm (3,10 eV) il sodio emette elettroni con 0,82 eV al massimo.

L’intensità decide solo quanti fotoni arrivano, e quindi quanti elettroni escono al secondo: la corrente, non l’energia dei singoli elettroni. Per queste idee Einstein ricevette il premio Nobel nel 1921. Millikan, che voleva smentirle, le confermò con misure precise nel 1916.

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