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Interazione radiazione-materia: leffetto fotoelettrico.

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Presentazione sul tema: "Interazione radiazione-materia: leffetto fotoelettrico."— Transcript della presentazione:

1 Interazione radiazione-materia: leffetto fotoelettrico

2 La storia Nel 1899, Thomson capi` che se racchiudeva una superficie metallica in un tubo a vuoto e la esponeva alla luce ultravioletta alcuni elettroni venivano estratti dalla superficie colpita dalla luce esattamente come accadeva se allinterno del tubo veniva creato un forte campo elettrico. Gli scienziati dellepoca si chiesero come sarebbero variati il numero e la velocita` degli elettroni in funzione dellintensita` e del colore della luce incidente. Ci si aspettava che un fascio di luce piu` intenso avrebbe scrollato piu` violentemente gli elettroni del metallo estraendone in media di piu` e piu` veloci. Aumentare la frequenza della radiazione elettromagnetica (e quindi variare il colore della luce) avrebbe fatto oscillare gli elettroni piu` velocemente facendoli uscire prima dalla superficie del metallo. Con una luce molto fioca gli elettroni avrebbero impiegato molto tempo per raggiungere unampiezza di vibrazione tale da poter uscire dalla superficie del metallo. Nel 1902, Lenard studio` come lenergia dei fotoelettroni emessi nel tubo catodico variasse con lintensita` della luce. Aveva a disposizione una sorgente luminosa di cui poteva aumentare lintensita` fino a 1000 volte. Gli elettroni emessi venivano raccolti da uno strumento che poteva misurare la loro energia in funzione di una certa intensita` luminosa. Lenard scopri` che lenergia degli elettroni non dipendeva dallintensita` della luce, contrariamente a quanto si sarebbe immaginato allepoca. Da essa dipendeva pero` il numero di elettroni emessi.Lenard Lenard fece un altro tentativo. Separo` le varie componenti di frequenza diversa e provo` a ripetere lesperimento usando volta per volta luce di colore diverso. Scopri` che lenergia massima che potevano avere gli elettroni dipendeva dal colore: a lunghezze donda minori, cioe` frequenze maggiori, corrispondevano elettroni emessi con maggiore energia. luce incidente emettitore vuoto collettore elettroni che arrivano al collettore

3 Lidea di Einstein Nel 1905 un giovane e sconosciuto Albert Einstein diede uninterpretazione molto semplice dei risultati di Lenard. Egli assunse semplicemente che la radiazione incidente dovesse essere vista come pacchetti (quanti) di energia hf, dove f e` la frequenza e h e` una costante (costante di Planck). Nella fotoemissione, uno di questi quanti di energia viene assorbito da un elettrone. Se questo elettrone si trova dentro il metallo ad una certa distanza dalla superficie un po di energia verra` persa lungo lo spostamento. Lenergia minima necessaria ad estrarre lelettrone viene chiamata energia di legame e si indica con W. Gli elettroni piu` energetici saranno quindi quelli posti sulla superficie ed avranno energia E pari a E = hf – W Appare quindi chiaro che se la luce incidente non ha frequenza abbastanza elevata nessun elettrone verra` emesso perche` nessuno riuscira` ad avere energia superiore a quella di legame.Questo e` completamente indipendente dallintensita` della luce stessa. Grazie a questidea Einstein vinse il premio Nobel, e in seguito alla pubblicazione del suo lavoro fu coniato il termine fotone per descrivere le particelle che costituiscono la radiazione elettromagnetica. "A splendid light has dawned on me..." - Albert Einstein

4 Lo spettro elettromagnetico Lo spettro elettromagnetico non e` altro che il nome che gli scienziati danno allinsieme dei diversi tipi di radiazioni. La radiazione e` energia che propaga sotto forma di onde. La luce visibile emanata da una lampada o le onde radio e televisive sono due tipi di onde elettromagnetiche. Altri esempi di radiazione EM sono le microonde, i raggi infrarossi ed ultravioletti, i raggi X e.

5 Radiazione e.m. ad alta energia: i raggi I raggi sono fotoni molto energetici, di energia compresa tra 1 MeV e 10 GeV, cioe` 10 6 e 10 9 elettronvolt Sono prodotti nel decadimento spontaneo di materiali radioattivi, come il cobalto- 60 e il cesio-137. I raggi prodotti dal cobalto-60 possono penetrare a fondo nel corpo umano, quindi sono stati usati spesso per curare il cancro con la radioterapia. Isotopoenergia di picco (keV) abbondanza relativa vita media Co % 99.8% 5.27 anni Ba % 32.75% 18.6% 8.8% 7.3% 10.4 anni Cd %1.27 anni Cs % 5.8% 30 anni Mn %312.2 giorni Na % 2.6 anni Zn %244.1 giorni

6 Leffetto fotoelettrico con i raggi vogliamo misurare lo spettro di energia degli elettroni estratti da un materiale (NaI-Tl, ioduro di sodio drogato tallio) colpito da un fascio di raggi prodotti da una sorgente radioattiva lenergia di legame degli elettroni piu` interni nello iodio e` di soli 33keV abbiamo a disposizione sorgenti diverse e possiamo verificare che per diverse energie dei fotoni emessi, il picco di energia corrispondente alleffetto fotoelettrico si sposta. raggio incidente viene completamente assorbito dallatomo elettrone emesso con energia E=hf-W

7 Effetto Compton La cinematica dellurto e simile a quella di due corpi puntiformi Lenergia dellelettrone emesso varia in funzione dellangolo di diffusione raggio incidente non viene completamente assorbito dallatomo elettrone emesso con energia variabile raggio diffuso nella collisione

8 apparato sperimentale fotomoltiplicatore rivelatore

9 Schema del circuito di acquisizione dati I raggi vengono convertiti in un e - nello scintillatore I fotoni di scintillazione sono proporzionali allenergia delle - I fotoni vengono convertiti in e - e moltiplicati nel PM Il segnale di corrente viene amplificato e la sua ampiezza viene misurata dallADC LMCA conta quanti eventi hanno la stessa ampiezza e li organizza in un istogramma NaI-TlPM Amplificatore ADC MCA 137 Cs

10 Lo spettro Lenergia dellelettrone liberato nelleffetto fotoelettrico e` monoenergetico Lenergia dellelettrone diffuso per effetto Compton varia da 0 a un massimo (Compton edge) che dipende dallenergia del incidente Gli altri picchi sono dovuti alla presenza del materiale di cui e` fatto linvolucro del rivelatore energia conteggi picco del fotoelettrico


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