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Effetto fotoelettrico Pina di Vito1 Effetto fotoelettrico Lelettrone di conduzione in un metallo è in una buca di potenziale Pina di Vito2 U energia.

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Presentazione sul tema: "Effetto fotoelettrico Pina di Vito1 Effetto fotoelettrico Lelettrone di conduzione in un metallo è in una buca di potenziale Pina di Vito2 U energia."— Transcript della presentazione:

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2 Effetto fotoelettrico Pina di Vito1

3 Effetto fotoelettrico Lelettrone di conduzione in un metallo è in una buca di potenziale Pina di Vito2 U energia di legame degli elettroni nel reticolo metallico E cin energia cinetica dellelettrone nel metallo E i energia totale dellelettrone nel metallo E i =E cin +U U e energia potenziale dellelettrone libero Il lavoro di estrazione W è la minima energia che deve essere fornita allelettrone affinché abbandoni il metallo. W = U e - E i Esso dipende dal tipo di metallo (U) e dalla sua temperatura (E cin ) E ci n EiEi U UeUe W metallo

4 Effetto fotoelettrico Potenziale di estrazione di alcuni metalli metallo Potenziale di estrazione V espresso in volt Lavoro di estrazione E espresso in elettronvolt eV Lavoro di estrazione E espresso in joule Cesio Cs1,9 V1,9 eV 1,9V. 1, C= =3, J Sodio Na2,28 V2,28 eV 2,28V. 1, C= =3, J Zinco Zn4,27 V4,27 eV… Rame Cu4,48V4,48 eV… Potassio K2,0 V2,0 eV… Ferro Fe4,63 V4,63 eV… Pina di Vito3

5 Effetto fotoelettrico Estrazione di elettroni da un metallo illuminato Prime osservazioni Hertz 1857 Esperimento di Lenard – 1902 Spiegazione teorica di Einstein

6 Effetto fotoelettrico Pina di Vito5 Secondo la teoria ondulatoria lenergia trasportata da unonda è proporzionale alla sua ampiezza Hanno la stessa energia Meccanica classica: onde

7 Effetto fotoelettrico Previsioni della meccanica classica 1.Lenergia cinetica degli elettroni emessi non dipende dalla frequenza della radiazione incidente 2.Lenergia cinetica degli elettroni emessi dipende dellintensità della radiazione incidente 3.Qualunque radiazione, di qualunque frequenza, può causare lemissione di elettroni. Se essa è poco intensa ci vorrà un po di tempo (ritardo) perché gli elettroni accumulino lenergia sufficiente per uscire dal metallo Pina di Vito6

8 Effetto fotoelettrico Pina di Vito7 Anche una debolissima luce blu è capace di strappare elettroni da un metallo, mentre un faro da 1000 watt giallo non ci riesce e e e Fenomeno osservato da Hertz (1857) Illuminando con luce visibile la superficie di alcuni tipi di metalli si può manifestare emissione di elettroni dalla superficie stessa

9 Effetto fotoelettrico Pina di Vito8 Lenard 1902 : Schema dell'apparato sperimentale

10 Effetto fotoelettrico Pina di Vito9 Lenard 1902 : risultati sperimentali

11 Effetto fotoelettrico Osservazioni sperimentali di Lenard 1)Il fenomeno presenta una frequenza di soglia f 0 (detta soglia fotoelettrica) al di sotto della quale non si ha emissione 2)Lenergia cinetica degli elettroni emessi è indipendente dallintensità della radiazione incidente 3)Il n° di elettroni emessi aumenta con lintensità della radiazione 4)Lenergia del singolo elettrone aumenta al crescere della frequenza della radiazione incidente Questi risultati non si spiegano se gli elettroni ricevono energia da una radiazione descritta in termini classici! Pina di Vito10

12 Effetto fotoelettrico Grafici dei risultati sperimentali delleffetto fotoelettrico Nellesperimento di Lenard lenergia cinetica massima dei fotoelettroni viene misurata mediante il potenziale di arresto Pina di Vito11

13 Effetto fotoelettrico Grafici dei risultati sperimentali delleffetto fotoelettrico Pina di Vito12 Energia cinetica dei fotoelettroni Frequenza della radiazione Cu NaCs 4, Hz5, Hz10, Hz Frequenza di soglia dei metalli riportati in grafico indicata usando il colore della luce monocromatica corrispondente

14 Effetto fotoelettrico Potenziale di estrazione, frequenza di soglia 0 e lunghezza donda Potenziale di estrazione, frequenza di soglia 0 e lunghezza donda metallo Lavoro di estrazione W espresso in elettronvolt Energia di soglia del fotone 0 Energia di soglia del fotone h 0 Frequenza di soglia o Lunghezza donda espressa in nanometri espressa in nanometri Cesio Cs 1,95 eV3, J4, Hz 638nm arancio Sodio Na 2,7 V4, J5, Hz 550nm verde Rame Cu 4,48 V 7, J10, Hz 277nm ultravioletto Pina di Vito13

15 Effetto fotoelettrico Perché la meccanica classica non fa previsioni corrette, in questo fenomeno? Ripassiamo la teoria delle onde Pina di Vito14 Secondo la teoria ondulatoria lenergia trasportata da unonda è proporzionale alla sua ampiezza Queste due onde hanno la stessa energia anche se hanno diversa frequenza

16 Effetto fotoelettrico Pina di Vito15 bassa frequenza bassa energia alta frequenza alta energia Ma siamo sicuri che la luce sia unonda? Nelleffetto fotoelettrico è evidente che l energia trasportata dalla luce è legata alla sua frequenza e non alla sua ampiezza o intensità!

17 Effetto fotoelettrico Pina di Vito16 I quanti di Planck Grandezza continua Grandezza discreta La luce è quantizzata

18 Effetto fotoelettrico Spiegazione delleffetto fotoelettrico di Einstein (1905) E=h f h= Js costante di Planck 1.Ogni volta che avviene, da parte della materia, emissione o assorbimento della radiazione elettromagnetica la quantità di energia scambiata è legata alla frequenza f della radiazione dalla relazione E=h f h= Js costante di Planck fotoni 2.Lenergia della radiazione elettromagnetica non è distribuita con continuità nello spazio, bensì è raccolta in pacchetti o quanti detti fotoni Pina di Vito17

19 Effetto fotoelettrico Grafici dei risultati sperimentali delleffetto fotoelettrico Nellesperimento di Lenard lenergia cinetica massima dei fotoelettroni viene misurata mediante il potenziale di arresto Nella spiegazione di Einstein lenergia cinetica massima è calcolata mediante la differenza tra la frequenza della radiazione incidente e la frequenza di soglia. Pina di Vito18

20 Effetto fotoelettrico Pina di Vito19 Leggi delleffetto fotoelettrico soglia fotoelettrica hf 0 =W 1)Se hf < W non si ha energia sufficiente per estrarre gli elettroni dal materiale soglia fotoelettrica hf 0 =W lenergia cinetica degli elettroni emessi non dipende dallintensità della radiazione incidente 2)Un elettrone può ricevere energia solo da un quanto lenergia cinetica degli elettroni emessi non dipende dallintensità della radiazione incidente Lenergia del singolo elettrone aumenta al crescere della frequenza della radiazione incidente 3)E cin = hf-hf 0 Lenergia del singolo elettrone aumenta al crescere della frequenza della radiazione incidente il n° di elettroni emessi aumenta con lintensità 4)Aumentando lintensità della radiazione aumenta il n° di pacchetti di energia il n° di elettroni emessi aumenta con lintensità W energia necessaria per estrarre un elettrone dal materiale h f energia fornita al materiale dal singolo fotone

21 Effetto fotoelettrico Dice Einstein: "Secondo l'ipotesi che voglio qui proporre, quando un raggio di luce si espande partendo da un punto, l'energia non si distribuisce su volumi sempre più grandi, bensì rimane costituita da un numero finito di quanti di energia localizzati nello spazio, che si muovono senza suddividersi e che non possono essere assorbiti o emessi parzialmente." Pina di Vito20 Dallarticolo sui quanti di luce pubblicato da Einstein nel 1905 sugli "Annalen der Physik"

22 Effetto fotoelettrico Dallarticolo sui quanti di luce "La consueta concezione, per la quale l'energia della luce si distribuisce in modo continuo nello spazio irradiato, incontra, nel tentativo di spiegare i fenomeni fotoelettrici, notevoli difficoltà, che sono state fatte oggetto di uno studio particolarmente approfondito dal Signor Lenard [Einstein si riferisce all'articolo di Lenard del 1902]. Partendo dal principio che la luce eccitatrice è costituita di quanti di energia hf, l'emissione... [di elettroni] si può spiegare nel seguente modo. I quanti di energia penetrano nello strato superficiale del corpo e la loro energia si trasforma, almeno in parte, in energia cinetica di elettroni... Inoltre va supposto che ogni elettrone, nell'abbandonare il corpo, debba effettuare un lavoro W (che è caratteristico del corpo considerato). Ad uscire dal corpo con la massima velocità normale [K max ] saranno gli elettroni eccitati che si trovano direttamente alla sua superficie e che acquistano una velocità normale ad essa". Pina di Vito21

23 Effetto fotoelettrico Due cose sono infinite: luniverso e la stupidità umana, ma riguardo luniverso ho ancora dei dubbi. Follia è fare sempre la stessa cosa e aspettarsi risultati diversi. In principio era previsto che diventassi ingegnere, ma il pensiero di dover spendere la mia energia creativa su cose che rendono ancora più raffinata la vita pratica di ogni giorno, con la deprimente prospettiva di una rendita da capitale come obiettivo, mi era insopportabile. Pensare per il piacere di pensare, come per la musica. Non hai veramente capito qualcosa fino a quando non sei in grado di spiegarlo a tua nonna. Quando un uomo siede unora in compagnia di una bella ragazza, sembra sia passato un minuto. Ma fatelo sedere su una stufa per un minuto e gli sembrerà più lungo di qualsiasi ora. Questa è la relatività. Due cose sono infinite: luniverso e la stupidità umana, ma riguardo luniverso ho ancora dei dubbi. Follia è fare sempre la stessa cosa e aspettarsi risultati diversi. In principio era previsto che diventassi ingegnere, ma il pensiero di dover spendere la mia energia creativa su cose che rendono ancora più raffinata la vita pratica di ogni giorno, con la deprimente prospettiva di una rendita da capitale come obiettivo, mi era insopportabile. Pensare per il piacere di pensare, come per la musica. Non hai veramente capito qualcosa fino a quando non sei in grado di spiegarlo a tua nonna. Quando un uomo siede unora in compagnia di una bella ragazza, sembra sia passato un minuto. Ma fatelo sedere su una stufa per un minuto e gli sembrerà più lungo di qualsiasi ora. Questa è la relatività. Albert Einstein


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