L’effetto fotoelettrico: il Nobel di Einstein

14 Maggio, 2022
l'effetto fotoelettrico mostra che la luce è composta da partecelle

Foto di Gerd Altmann da Pixabay 

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Che cos'è l'effetto fotoelettrico?

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Perchè l'effetto fotoelettrico era un problema?

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Come recuperare la maionese impazzita?

Che cos’è l’effetto fotoelettrico?

Ovviamente Alby Einstein

Ma ciao mio curioso lettore, sono Jane White, ci siamo conosciuti e hai scoperto il mio segreto parlando del LASER. Ti ringrazio per non aver detto a Davide che ti ho rivelato il mio segreto, ci tiene così tanto che non si sappia.

Comunque eccoci per una nuovo episodio nella storia di quei primi anni del 900 in cui la scienza, nel tentativo di capire cosa fosse la luce, sconvolse tutte le fondamenta della fisica allora conosciuta.

Il 1905 fu un anno speciale perchè finalmente capirono di cosa sono fatta… Ops… Di cosa è fatta la luce. C’è bisogno ti dica chi fu a mettere insieme i pezzi? Il caro Alby Einstein.

L’effetto fotoelettrico: l’esperimento

Partiamo dal principio: anni prima, due fisici, Hertz e Lenard, stavano indagando un fenomeno luminoso alquanto particolare: sparavano della luce su una lastra metallica e vedevano cosa succedeva. E di cose curiose in effetti ne succedevano.

Che la luce fosse un’onda continua era ormai un fatto assodato e proprio questo generava dubbi e sospetti nei poveri Hertz e Lenard.

Infatti sparando una debolissima luce rossa, la più debole nello spettro della luce visibile, non succedeva un bel niente alla lastra melallica. Aumentando l’intensità della luce rossa la storia non cambiava. Ma non appena si sparava della fioca, impercettibile luce viola (la più potente nello spettro della luce visibile), si staccavano elettroni dalla lastra. E più aumentava l’intensità della luce viola e più elettroni si staccavano.

A questo inspiegabile comportamento fu dato il nome di effetto fotoelettrico.

l'esperimento originario dell'effetto fotoelettrico

Perchè l’effetto fotoelettrico era un problema?

Mumble

“Scusa Jane ma non capisco che ci sia di problematico nell’effetto fotoelettrico. La luce viola è più potente di quella rossa e scalza gli elettroni dalla lastra”

Verissimo mio perspicace lettore, ma non stai considerando una cosa: perchè l’intensità della luce è completamente irrilevante ed invece la differenza la fa il colore?

Facciamo un esempio pratico: sei al bowling e devi fare strike. Con la classica palla da bowling ovviamente nessun problema ma diciamo che tu abbia a disposizione una pallina da tennis. A mano non riusciresti mai a fare uno strike ma se avessi qualcosa che lanciasse la pallina davvero forte potresti. Diciamo che tu abbia un cannone. Ci metti dentro la pallina e la spari verso i birilli. Sarà talmente veloce che farai strike.

Hertz e Lenard si aspettavano la stessa cosa con l’effetto fotoelettrico. Se anche una minuscola luce viola riesce a scalzare via gli elettroni, allora posso prendere luce meno potente (rossa) e spararla con talmente tanta intensità da ottenere lo stesso effetto.

Eppure potevano sparare luce rossa con tutta l’intensità che volevano, non sarebbe mai successo nulla. Ma appena si dava anche la più fioca delle luci viola fioccavano gli elettroni.

Per spiegare l’effetto fotoelettrico Einstein rispolvera Planck

Gli strani comportamenti osservati da Hertz e Lenard nell’effetto fotoelettrico se ne restano lì, senza spiegazione, per quasi 20 anni. Finchè non arrivò il 1905.

In quell’anno, un ragazzo impiegato all’ufficio brevetti di Berna, scuote tutti pubblicando 4 articoli, tra cui la relatività ristretta e la spiegazione dell’effetto fotoelettrico, cosa che gli varrà il Nobel: Albert Einstein.

Per trovare una spiegazione al fatto che l’intensità della luce non contasse nulla mentre il suo colore importava perchè gli elettroni si staccassero dalla lastra, Einstein rispolverò quello in cui si era imbattuto qualche anno prima il caro Planck.

Planck infatti, per trovare l’equazione che descrivesse la radiazione del corpo nero, dovette fare un’ipotesi che non capì nemmeno lui: la luce trasmette la sua energia a pacchetti finiti. La cosa interessante è che ognuno di questi pacchetti ha un’energia che dipende dalla frequenza della luce, vale a dire dal suo COLORE.

Alby Einstein prende questa ipotesi ed immagina quindi la luce composta da tanti corpuscoli, tante palline, ciascuna con energia legata alla frequenza della luce stessa.

l'effetto fotoelettrico si spiega rispolverando Planck

I fotoni spiegano l’effetto fotoelettrico

Einstein chiamò queste palline di energia che compongono la luce FOTONI e con questa intuizione spiega in un colpo l’effetto fotoelettrico.

Mumble

“E perchè mai Jane? Perchè immaginare la luce composta da palline di energia dovrebbe risolvere la situazione?”

Non dimenticare mio curioso lettore: l’energia delle palline ha un valore finito e ben preciso, né di più, né di meno.

Torniamo al bowling. Hai la tua pallina da tennis e devi fare strike. Ma questa pallina da tennis, per quanto ti sforzi, può viaggiare solo a 5 km/h. Anche se la sparassi con un cannone andrebbe sempre a 5 km/h. Troppo pochi, non fai nemmeno il solletico ai birilli.

E lanciare più palline da tennis, sempre a 5 km/h, non ti servirebbe a nulla. Anche lanciando per ore, se 5 km/h sono troppo pochi per abbattere i birilli, non ci riuscirai mai.

Lo stesso avviene tra i fotoni e gli elettroni della lastra melallica.

Fotoni all’opera

Einstein ha immaginato la luce come composta da tante palline da tennis, ognuna delle quali colpisce gli elettroni della lastra.

Così come come per buttare giù un birillo serve esattamente una certa energia, anche per staccare un elettrone dalla lastra ne serve un preciso quantitativo.

Se il fotone ha l’energia che serve, allora scalza l’elettrone, altrimenti se ne rimane bene dove sta, sulla lastra.

E Alby sapeva, rispolverando Planck, che le palline da tennis che compongono la luce hanno un energia che dipende unicamente dalla frequenza della luce, vale a dire dal suo colore.

La luce rossa era composta da palline con un’energia troppo bassa per spingere via gli elettroni. Puoi aumentare l’intensità della luce quanto ti pare, semplicemente arriveranno sugli elettroni ancora più palline rosse ma nessuna con l’energia sufficiente per farli saltare via.

U

AHA!

Quindi Jane la luce è fatta da singole sferette dotate di una quantità di energia finita, né di più né di meno. Questa energia dipende dal colore della luce, vale a dire dalla sua frequenza.

Conclusione

E cosí i pezzi del puzzle erano già tutti sul tavolo, ma serviva qualcuno che li mettesse insieme. Quel qualcuno fu Albert Einstein e questo gli valse il premio Nobel.

Mumble

“Jane scusa, ma tutto qui? Non mi sembra una scoperta così grande da ottenere un premio Nobel. Mi sto perdendo qualcosa?”

Come le bellissime serie tv, quando agli ultimi secondi del finale di stagione arriva il colpo di scena che ti fa capire che la storia è tutt’altro che chiusa, lo stesso successe con l’effetto fotoelettrico.

Forse la spiegazione in sé del fenomeno non ti sembrerà assurda, ma porta con se una domanda che turba ancora il sonno di molti:

Mumble

Ma la luce quindi, è un’onda o una particella?

La rivoluzione della fisica quantistica era alla soglia, ma ne parliamo nel prossimo articolo.

Jane

BIBLIO

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