EFFETTO FOTOELETTRICO La radiazione incidendo sulla superficie di un metallo causa l’emissione di elettroni Hertz 1887

L’apparato sperimentale Catodo ed anodo metallici chiusi in un tubo di vetro in cui è fatto il vuoto Vuoto : gli elettroni possono passare dal catodo all’anodo senza collidere con le molecole Luce monocromatica illumina il catodo: il passaggio di elettroni dal catodo all’anodo è rivelato dal galvanometro

ESPERIMENTO Se  < SOGLIA NON si ha emissione di e- emissione immediata di e- Energia cinetica degli e- emessi  proporzionale a   indipendente da I

EFFETTO FOTOELETTRICO e FREQUENZA Potassio - 2 eV necessari per far emettere un elettrone Efotone = hν

EFFETTO FOTOELETTRICO e FREQUENZA E cinetica del fotoelettrone Frequenza della radiazione incidente Potenziale ionizzazione crescente frequenza  energia cinetica e- pendenza = h

EFFETTO FOTOELETTRICO e INTENSITA’ NUMERO DI ELETTRONI EMESSI INTENSITA’ MAGGIORE INTENSITA’ MINORE 

FISICA CLASSICA Il campo elettrico E della luce esercita una forza F = -e E sugli elettroni Energia cinetica del fotoelettrone ~ all’ampiezza dell’onda Energia trasferita al metallo ~ tempo Qualunque  causa emissione di e- Emissione ritardata

FISICA CLASSICA Continuando a fornire energia si dovrebbe avere liberazione di elettroni Al crescere dell’intensità dovrebbe crescere il numero degli elettroni liberati e la loro velocità Al crescere della frequenza dovrebbe crescere il numero degli elettroni liberati e la loro velocità

La luce si comporta come una particella, detta fotone Albert Einstein 1905 Premio Nobel 1921 “For his services to Theoretical Physics, and especially for his discovery of the law of the photoelectric effect.” La luce si comporta come una particella, detta fotone Ciascun fotone ha un’energia E = h 

Energia del fotone sufficiente Energia cinetica dell’ e- emesso Energia necessaria per rimuovere un e- dal metallo Energia fornita dal fotone Energia del fotone insufficiente Energia del fotone sufficiente Eccesso di energia = E cinetica del fotoelettrone

Fotone ha energia E = h se E < Eionizzazione non si ha effetto fotoelettrico soglia se E > Eionizzazione l’e- mantiene l’eccesso di energia come energia cinetica h = Eionizzazione + ½ m v2 al crescere di  all’e- rimane una crescente quantità di energia al crescere dell’intensità cresce il numero di fotoni

FOTONI ed INTERFERENZA

Ciascun fotone interferisce con se stesso

Se cerchiamo di scoprire attraverso quale fenditura il fotone passa, il fenomeno dell’interferenza sparisce.

Il fotone come modello della luce La luce consiste di unità discrete prive di massa dette fotoni. Un fotone viaggia nel vuoto alla velocità di 3.00 x 108 m/s. Ciascun fotone ha un’energia E = h, dove  è la frequenza della radiazione e h è la costante di Planck (h = 6.63 x 10-34 J s). La luce é costituita da “pacchetti” discreti di energia, ciascuno di grandezza h . La sovrapposizione di un numero sufficientemente grande di fotoni ha le caratteristiche di un’onda classica di luce.

Evidenza della natura ondulatoria della luce Interferenza Evidenza della natura di particella della luce Effetto fotoelettrico Einstein (1924) “ There are therefore now two theories of light, both indispensable, and … without any logical connection.”

FOTONE CELLULA FOTOELETTRICA FOTOMOLTIPLICATORI CAMERA OSCURA ABBRONZATURA E RAGGI UV VISIONE E COLORI SPETTROSCOPIA FOTOELETTRONICA

Dispositivi per la visione notturna

FOTOMOLTIPLICATORE fotone

Pannelli solari

SPETTRO FOTOELETTRONICO h  = I + ½ mv2 Lampada Campione Rivelatore Analizzatore elettrostatico

Dualismo onda-particella della luce Mention that each color corresponds to a different frequency, and the higher the frequency, the higher the energy. So, the color gives us an indication of the ENERGY. Fotoni

DUALISMO ONDA-PARTICELLA RADIAZIONE INTERFERENZA  ONDA EFFETTO FOTOELETTRICO  FOTONE

EINSTEIN DE BROGLIE

Relazione di de Broglie tra momento della particella e lunghezza d’onda momento grande λ piccola momento piccolo  λ grande

ESPERIMENTO DI DAVISSON E GERMER Un fascio di elettroni colpisce un reticolo cristallino La distribuzione degli elettroni che sono diffusi dal reticolo dipende dall’angolo DIFFRAZIONE Le particelle si comportano come onde con =h/mv VERIFICA dell’ipotesi di DE BROGLIE

DIFFRAZIONE DI ELETTRONI 100 3000 70000

DIFFRAZIONE foglio di Al raggi X elettroni neutroni

DIFFRAZIONE DI C60 con reticolo senza reticolo

Tetrafenilporfirina C60F48

Perché non sono osservati effetti delle onde associate alle particelle (diffrazione) nella vita di ogni giorno? Gli oggetti macroscopici hanno lunghezze d’onda troppo piccole per interagire con le fenditure, ma oggetti di dimensione atomica si possono comportare come onde! Oggetto macroscopico – pallina da ping pong Oggetto microscopico – “elettrone lento” (1% velocità della luce)

Sostanza Massa (g) Velocità(m/s) λ (m) e- lento 9 x 10-28 1.0 7 x 10-4 Lunghezza d’onda di de Broglie di alcuni oggetti Sostanza Massa (g) Velocità(m/s) λ (m) e- lento 9 x 10-28 1.0 7 x 10-4 e- veloce 5.9 x 106 1 x10-10 particella  6.6 x 10-24 1.5 x 107 7 x 10-15 massa 1 g 0.01 7 x 10-29 baseball 142 25.0 2 x 10-34 terra 6.0 x1027 3x 104 4 x 10-63

Principio di Complementarità (Niels Bohr) DUALISMO onda-particella CONCLUSIONE I fenomeni a livello atomico hanno un duplice aspetto, corpuscolare ed ondulatorio, che non sono mai osservati contemporaneamente nello stesso esperimento. Principio di Complementarità (Niels Bohr) DUALISMO onda-particella Richard Feynman: “…a phenomenon which is impossible, absolutely impossible, to explain in any classical way, and which has in it the heart of quantum mechanics. In reality it contains the only mystery.”

Aspetto: Rettangolo ? Cerchio ? Realtà Cilindro !

MECCANICA QUANTISTICA La fisica classica tratta particelle ed onde come entità distinte Per rendere conto del DUALISMO onda – particella occorre una nuova descrizione MECCANICA QUANTISTICA