L’effetto fotoelettrico

Tutti noi abbiamo sottogli occhi le applicazioni molteplici dell’effetto fotoelettrico presente in molte artefatti della nostra vita. Un esempio per tutti è l’apertura automatica delle porte degli ascensori. Il fenomno è facile da descrivere, più complicato capirlo negli aspetti infinetesimali dove entra a piè pari la meccanica quantistica. Una superficie metallica riceve o meglio viene colpita da una radiazione, emessa da apposita lampada e a determinata E energia e lunghezza d’onda v (simbolo greco ni), e da questa superficie si liberano ellettroni che vanno a colpire un’altra superficie metallica creando così un flusso di corrente. (quando si vuole bloccare questo flusso di corrente basta mettere una mano che interrompe il flusso di coorrente e le porte dell’ascensore resteranno aperte).

Prima di iniziare questo argomento faccio alcune riflessioni sulla scienza: ne sento la necessità.

La scienza è uno strumento di crescita sociale e di pace e non di divisione e conflitto! La scienza può portare le persone, non adeguatamente preparate, a MISconcetti che possono essere utilizzati anche per fake news, da un punto di vista politico e religioso. E’ importante la scelta delle parole nel raccontare la scienza! “Non c’è scienza senza comunicazione della scienza!!!!”

per continuare in questa impresa improba per spiegare il computer quantistico e il funzionamento del qubit

Il chimico francese Antoine-Laurente de Lavoisier affermava che usando parole poco appropriate si corre il rischio di trasmettere impressioni sbagliate anche quando i fatti scientifici da comunicare sono certi! Il fisico James Clerk Maxwell anche lui ha ribadito l’importanza della scelta delle parole nel raccontare la scienza. La percezione di autorevolezza della scienza da parte della società sarebbe tale da rendere accettabili anche le opinioni più assurde, se descritte con parole il cui suono ricordi espressioni scientifiche note.

In memoria di Pietro Greco chimico e grande divulgatore scientifico

In sequenza occore descrivere una paricella elementare particolarmente importante: l’elettrone. Fu scoperto nel nel 1897, anno in cui Joseph John Thomson (1865-1940) direttore del Cavendish Laboratory di Cambridge, osservò che i raggi catodici erano sensibili ai campi elettrici e magnetici e che si comportavono come particelle cariche negativamente. Si progettò un esperimento dove i raggi catodici (particelle negative) emessi dal catodo e sparati a velocità elevata passavano dove agivano campi elettrici e magnetici. Alla fine del percorso il raggio arrivava a colpire una zona fluorescente dell schermo segnalando la posizione del raggio con un punto luminoso. Se i campi erano spenti il raggio colpiva la parte centrale dello schermo, mentre se erano accesi il raggio catodico veniva deviato segnalando così la presenza di una particella carica negativamente: l’elettrone.

L’effetto fotoelettrico era noto da tempo, ma solo Einstein riuscì a formalizzarlo e a darne una spiegazione esauriente.

Nel 1887 Hertz assieme ad altri scienziati vide che sulla scarica dei conduttori elettrizzati stimolata da una scintilla elettrica nelle vicinanze, si accorse che tale fenomeno è più intenso se gli elettrodi vengono illuminati con luce ultravioletta. Nello stesso anno, Wiedemann e Ebert stabilirono che la sede dell’azione di scarica è l’elettrodo negativo e Hallwachs trovò che la dispersione delle cariche elettriche negative è accelerata se i conduttori vengono illuminati con luce ultravioletta.

Nei primi mesi del 1888, il fisico italiano Augusto Righi, nel tentativo di capire i fenomeni osservati, scoprì un fatto nuovo: una lastra metallica conduttrice investita da una radiazione UV si carica positivamente. Righi introdusse, per primo, il termine “fotoelettrico” per descrivere il fenomeno.

Fu poi Einstein, nel 1905, a darne l’interpretazione corretta, intuendo che l’estrazione degli elettroni dal metallo si spiegava molto più coerentemente ipotizzando che la radiazione elettromagnetica fosse costituita da pacchetti di energia o quanti, poi denominati fotoni. In quell’anno richiese, a Zurigo, il brevetto.

L’ipotesi quantistica di Einstein non fu accettata per diversi anni da una parte importante della comunità scientifica, tra cui Hendrik Lorentz, Max Planck e Robert Millikan (vincitori del Premio Nobel per la fisica, rispettivamente, nel 1902, 1918 e 1923), secondo i quali la reale esistenza dei fotoni era un’ipotesi inaccettabile, considerato che nei fenomeni di interferenza le radiazioni elettromagnetiche si comportano come onde. L’iniziale scetticismo di questi grandi scienziati dell’epoca non deve sorprendere dato che perfino Max Planck, che per primo ipotizzò l’esistenza dei quanti (anche se con riferimento agli atomi, che emettono e assorbono “pacchetti di energia”), ritenne, per diversi anni, che i quanti fossero un semplice artificio matematico e non un reale fenomeno fisico. Ma, successivamente, lo stesso Robert Millikan dimostrò sperimentalmente l’ipotesi di Einstein sull’energia del fotone, e quindi dell’elettrone emesso, che dipende soltanto dalla frequenza della radiazione, e nel 1916 effettuò uno studio sugli elettroni emessi dal sodio che contraddiceva la classica teoria ondulatoria di Maxwell.

L’aspetto corpuscolare della luce fu confermato definitivamente dagli studi sperimentali di Arthur Holly Compton. Infatti il fisico statunitense nel 1921 osservò che, negli urti con gli elettroni, i fotoni si comportano come particelle materiali aventi energia e quantità di moto che si conservano nel 1923, pubblicò i risultati dei suoi esperimenti (effetto Compton) che confermavano in modo indiscutibile l’ipotesi di Einstein: la radiazione elettromagnetica è costituita da quanti (fotoni) che interagendo con gli elettroni si comportano come singole particelle. Per la scoperta dell’effetto omonimo Arthur Compton ricevette il premio Nobel nel 1927.

Nell’articolo (1905) “Emissione e trasformazione della luce da un punto di vista euristico” Albert Einstein propose che la luce non fosse fatta di onde, ma di quanti simili a particelle. Un punto di vista rivoluzionarioche stabiliva che la luce e la radiazione elettromagnetica non fosse affatto un fenomeno ondulatorio (come credeva Planck), ma fosse suddivisa in piccoli frammenti: in quanti di luce!! Voglio esplicitare il significato della parola EURISTICO: l’euristica è una parte dell’epistemologia e del metodo scientifico nella ricerca che si occupa di favorire l’accesso a nuovi sviluppi teorici, nuove scoperte empiriche e nuove tecnologie. Ma ci sono anche altre interpretazioni: Relativo all’ipotesi di lavoro assunta come guida nel corso di una ricerca scientifica e alla metodologia che vi è connessa, spec. diretta alla scoperta di nuovi risultati. In matematica, di procedimento non rigoroso che consente di prevedere un risultato, che dovrà poi essere convalidato.

Questo per far capire quanto problematica e difficile fosse accettare la teoria dei quanti come corpuscoli e quanto ebbe a spendersi per spiegarlo Albert Einstein.

Per chi volesse approfondire vi propongo il testo integrale di Einstein, è da leggere anche se dopo unpò le formule matematiche diventano realmente difficili, ma basta per dare una idea della difficoltà che si dovevano affronatare! (in italiano)

Per i suoi studi sull’effetto fotoelettrico e la conseguente scoperta dei quanti di luce, Einstein ricevette il Premio Nobel per la fisica nel 1921.

Perché tutto queste contrastanti teorie e difformità di pensiero tra scienziati? La risposta è semplice e riguarda la comprensione della natura della luce.

La luce è un’onda elettromagnetica o un corpuscolo?

alla prossima puntata!