Effetto fotoelettrico

Fonte: Yong P. Chen, PhD, Dipartimento di Fisica e Astronomia, College of Science, Purdue University, West Lafayette, IN

L'effetto fotoelettrico si riferisce all'emissione di elettroni da un metalloquando la luce brilla su di esso. Affinché gli elettroni siano liberati dal metallo, la frequenza della luce deve essere sufficientemente alta in modo tale che i fotoni nella luce abbiano energia sufficiente. Questa energia è proporzionale alla frequenza della luce. L'effetto fotoelettrico ha fornito la prova sperimentale per il quantum di luce noto come fotone.

Questo esperimento dimostrerà l'effetto fotoelettrico utilizzando un metallo di zinco carico soggetto a una normale luce della lampada o luce ultravioletta (UV) con frequenza ed energia fotoniche più elevate. La piastra di zinco sarà collegata ad un elettroscopio, uno strumento in grado di leggere la presenza e la relativa quantità di cariche. L'esperimento dimostrerà che la luce UV, ma non la lampada normale, può scaricare lo zinco caricato negativamente espellendo i suoi elettroni in eccesso. Nessuna delle due sorgenti luminose, tuttavia, può scaricare zinco caricato positivamente, coerentemente con il fatto che gli elettroni emessi nell'effetto fotoelettrico.

Un metallo contiene molti elettroni mobili. È relativamente facile eccitare questi elettroni e, se sono eccitati con abbastanza energia, possono lasciare il metallo. Quando tale eccitazione è fatta con la luce, gli elettroni espulsi sono noti come fotoelettroni e questo effetto è noto come effetto fotoelettrico. È stato osservato che affinché ciò accada, la frequenza (f) della luce deve superare una certa soglia minima (f₀), o equivalentemente, la lunghezza d'onda della luce (λ), che è correlata alla frequenza f da:

(con c ≈ 3x10⁸ m/s che è la velocità della luce) deve essere al di sotto di una certa soglia_{(λ 0}), cioè f > f₀ (λ < λ₀). Altrimenti, se f < f₀ (λ > λ₀), non verranno emessi fotoelettroni anche con un'illuminazione intensa della luce.

Albert Einstein è stato in grado di spiegare queste osservazioni usando il concetto di fotoni, i quanti di luce. La luce è costituita da molti di questi fotoni simili a particelle e ogni fotone ha energia:

con h ≈ 6,63x10^-34 Js, chiamata costante di Planck, che mette in relazione la frequenza della luce con l'energia fotone.

Il processo microscopico dell'effetto fotoelettrico è che un singolo fotone viene assorbito dal metallo e la sua energia viene utilizzata per eccitare un elettrone. L'elettrone sarà emesso dal metallo se l'energia fotone,

dove W è noto come "funzione di lavoro" e rappresenta l'energia minima necessaria per liberare l'elettrone dal metallo. Se

anche se la luce è intensa (nel senso che contiene un gran numero di fotoni) e anche se la luce brilla a lungo, non verranno prodotti fotoelettroni poiché i singoli fotoni non hanno energia sufficiente per liberare elettroni.

La spiegazione di Einstein dell'effetto fotoelettrico è stata storicamente significativa in quanto ha fornito un supporto chiave per la teoria dei fotoni (quanti di luce), che mostra che la luce può comportarsi come particelle oltre che come onde elettromagnetiche e possedere la natura a doppia particella-onda.

Ad esempio, il metallo di zinco (Zn) da utilizzare in questo esperimento ha una funzione di lavoro di W ≈ 4,3 eV (con 1 eV ≈ 1,6x10^-19 J). Ciò significa che la frequenza di soglia per l'effetto fotoelettrico per Zn sarà:

corrispondente a una lunghezza d'onda di soglia,

Per produrre fotoelettroni da Zn, la luce deve avere una frequenza superiore a f0 ≈ 1015 Hz o una lunghezza d'onda inferiore a λ₀ ≈ 300 nm. Una lunghezza d'onda così corta corrisponde ai raggi UV (poiché la luce visibile ha una lunghezza d'onda superiore a ~ 400 nm, che corrisponde al colore viola).

Poiché un elettrone porta una carica negativa, l'effetto fotoelettrico rimuoverà le cariche negative da un metallo (aggiungendo efficacemente cariche positive ad esso). Se il metallo è originariamente caricato negativamente, questo lo renderà meno carico. Se il metallo è originariamente caricato positivamente, questo lo renderà più carico. Tali effetti saranno studiati in questo esperimento.

1. Ottenere i componenti necessari per questo esperimento

1. Ottenere un elettroscopio (Figura 1), che è un dispositivo che monitora la carica sulla piastra metallica collegata all'elettroscopio. A causa della forza di repulsione coulomb tra le cariche, l'ago all'interno dell'elettroscopio devierà più (o meno) se ci sono più (o meno) cariche sulla piastra e non si muoverà se non ci sono cariche.
2. Ottenere una piastra metallica di zinco. Usa la carta vetrata per lucidare la sua superficie (questo rimuove l'ossido di zinco sulla superficie metallica e rende più facile perdere elettroni attraverso l'effetto fotoelettrico).
3. Posizionare la piastra di zinco sopra e a diretto contatto con la parte superiore dell'elettroscopio (Figura 1).
4. Ottenere una sorgente di luce UV, che ha una componente di lunghezza d'onda inferiore a 300 nm e una lampada normale che fornisce luce visibile. Ottenere un occhiale da sole con protezione UV.
5. Ottenere un'asta acrilica e un pezzo di pelliccia comunemente usato per produrre cariche. Strofinare l'asta con la pelliccia aggiungerà elettroni all'asta, rendendo l'asta caricata negativamente.

Figura 1: Diagramma che mostra un elettroscopio non caricato (a) e un elettroscopio carico (b) (indicato dalla deflessione dell'ago), con una piastra metallica di zinco posta sopra e collegata alla sua piastra superiore. (La situazione addebitata per b è disegnata per gli oneri positivi come esempio. Un'osservazione simile vale per l'elettroscopio caricato negativamente.

2. Effetti fotoelettrici sullo zinco caricato negativamente

1. Strofinare l'asta con i furfive volte. Ciò renderà l'asta caricata negativamente.
2. Avvicinare l'asta alla piastra di zinco, senza toccarla. Usare un'altra mano per toccare brevemente la piastra di zinco. Questo caricherà la piastra di zinco per essere caricata positivamente attraverso l'induzione (l'asta caricata negativamente attira alcune cariche positive dalla mano sul metallo di zinco e le cariche positive rimangono sul metallo di zinco dopo che il suo contatto con la mano è stato rimosso). L'ago dell'elettroscopio deve deviare per indicare che la piastra metallica, insieme a tutte le parti dell'elettroscopio ad essa collegate, è carica (Figura 2a). Se necessario, ripetere i passaggi 2.1 e 2.2 per aggiungere ulteriori cariche alla piastra.
3. Accendere la lampada visibile e avvicinarla all'elettroscopio per far brillare la sua luce sulla piastra di zinco (Figura 2b). Osservare la risposta dell'elettroscopio.
4. Spegni la normale lampada e ora indossa l'occhiale da sole protettivo UV. Accendere la luce UV e avvicinarla all'elettroscopio. Brillare la luce UV sul metallo di zinco (Figura 2c). ATTENZIONE: Allontanare la luce UV dagli occhi ed evitare di guardare direttamente nella luce UV per proteggere gli occhi dai raggi UV. Osservare la risposta dell'elettroscopio. Quindi spegnere la luce UV.

Figura 2: Diagramma che mostra(a) caricarepositivamente il metallo di zinco dall'asta caricata negativamente attraverso l'induzione; e portando(b)la luce regolare della lampada e(c)la luce UV per osservare i loro effetti sullo stato di carica dello zinco, come monitorato dall'elettroscopio ad esso collegato.

3. Effetti fotoelettrici sullo zinco caricato positivamente

1. Strofinare di nuovo l'asta con il furfive volte. Ciò renderà l'asta caricata negativamente.
2. Portare l'asta a diretto contatto con la piastra metallica di zinco e strofinare l'asta sulla piastra cinque volte. Questo trasferirà alcune cariche negative sullo zinco, indicate dalla deflessione dell'ago dell'elettroscopio (Figura 3a).
3. Metti via l'asta e non usare la mano o altri oggetti per toccare il metallo di zinco.
4. Accendere la normale lampada (visibile) e avvicinarla all'elettroscopio per far brillare la sua luce sulla piastra di zinco (Figura 3b). Osservare la risposta dell'elettroscopio.
5. Spegnere la normale lampada e ora accendere la luce UV e portarla vicino all'elettroscopio per far brillare la luce UV sul metallo di zinco (Figura 3c). ATTENZIONE: Allontanare la luce UV dagli occhi ed evitare di guardare direttamente nella luce UV per proteggere gli occhi dai raggi UV. Osservare la risposta dell'elettroscopio. Quindi spegnere la luce UV.

Figura 3: Diagramma che mostra ( a )caricarenegativamente il metallo di zinco dall'asta caricata negativamente attraverso il contatto diretto; e portando(b)la luce regolare della lampada e(c)la luce UV per osservare i loro effetti sullo stato di carica dello zinco, come monitorato dall'elettroscopio ad esso collegato.

Per i passaggi 2.1-2.4, l'elettroscopio rimane carico (l'ago rimane deviato) sia per la lampada normale che per l'illuminazione a luce UV (Figura 2b e 2c), indicando che la piastra di zinco rimane caricata positivamente. Questo perché la piastra di zinco carica (che ha già perso alcuni elettroni in primo luogo per diventare caricata positivamente) perde ulteriormente alcuni fotoelettroni dalla luce UV per renderla ulteriormente caricata positivamente. In questo caso, può essere evidente che l'ago dell'elettroscopio devia un po' più in là nella Figura 2c. La luce visibile regolare non modifica le cariche positive sulla piastra di zinco e anche l'elettroscopio rimane carico (Figura 2b).

Per i passaggi 3.1-3.5, quando la piastra di zinco è caricata negativamente, si può osservare che la normale luce della lampada non ha di nuovo alcun effetto sull'elettroscopio (Figura 3b), mentre la luce UV provoca il collasso dell'ago dell'elettroscopio e ritorna nella posizione non carica senza deflessione, Figura 3c. Questo perché solo i fotoni della luce UV hanno abbastanza energia (al di sopra della funzione di lavoro dello zinco) per espellere i fotoelettroni, quindi per scaricare lo zinco che è stato precedentemente caricato per essere negativo (con elettroni in eccesso).

In questo esperimento, abbiamo abusato di un elettroscopio per dimostrare che la luce UV può scaricare un metallo di zinco caricato negativamente attraverso l'effetto fotoelettrico. Al contrario, un campione di zinco caricato positivamente (che ha già perso alcuni elettroni) non verrà scaricato, né una luce visibile (che non può causare l'effetto fotoelettrico) scaricherà zinco caricato negativamente o positivamente.

L'effetto fotoelettrico ha svolto un ruolo importante nello sviluppo della fisica quantistica nel 20^° secolo in quanto ha fornito prove sperimentali che la luce è fatta di particelle che chiamiamo fotoni e quanti di camion dell'energia luminosa proporzionale alla frequenza della luce.

In pratica, l'effetto fotoelettrico è stato utilizzato anche per realizzare vari dispositivi optoelettronici, come gli interruttori elettrici fotosensibili, dove il blocco o lo sblocco di un fascio di luce che brilla su un metallo si spegne o su una corrente elettrica a causa dell'assenza o della presenza di fotoelettroni. Questo è comunemente usato in molti sensori di posizione meccanica (ad esempio l'apertura o la chiusura di una porta che sblocca o blocca un fascio di luce).