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L'EFFETTO FOTO-ELETTRICO - Osservare il comportamento della luce

L'EFFETTO FOTO-ELETTRICO - Osservare il comportamento della luce


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L'EFFETTO FOTO-ELETTRICO







SCOPO: osservare il comportamento della luce.


PREMESSE:

Queste premesse teoriche saranno brevi e concise e vogliono delineare il punto di partenza dl mio lavoro. La domanda principale è: cos’è la luce?

Da lavoro effettuato i classe posso dire che la luce è spiegata attraverso una teoria ondulatoria, ovvero la luce è propriamente un’onda perché con opportuni esperimenti ho constatato che in essa vi sono fenomeni di rifrazione, diffrazione, riflessione e per ultimo (ma non meno importante) di interferenza, come accade per le onde d’acqua.                                                                                  





Con ciò abbiamo alla fine visualizzato uno spettro elettro-magnetico comprendente diversi tipi di “luce” caratterizzati da lunghezza d’onda e frequenza diverse. L’intensità della luce , alla fine, è determinata dal quadrato dell’ampiezza.



MATERIALI:


*  un’ elettroscopio formato da lamina di zinco (la .1 schematizza la fisionomia di esso)


*  una sorgente di luce bianca


*  una sorgente di luce ultravioletta (formatasi grazie ad un funzionamento al mercurio)


*  uno schermo bianco


*  una sorgente luminosa


*  apparecchiatura per elettrizzazione mediante strofinio

. 1 (le foglie sono di Zn.)





NOTE:

Questo esperimento verrà suddiviso, sostanzialmente in due parti, prima utilizzando la sorgente di luce bianca e poi la sorgente ultravioletta.



PROCEDIMENTO 1^


*  Preparare l’elettroscopio, cioè caricarlo negativamente, mediante strofinio


*  Proiettare l’ombra dell’elettroscopio su uno schermo bianco grazie ad una sorgente luminosa che però non influenzi l’esperimento, ovvero non entri direttamente in contatto con le lamine.


*  Proiettare direttamente sull’elettroscopio della luce bianca e osservare il fenomeno che ne è conseguenza.


*  Per avere ulteriore prova del fenomeno, o per ampliare i suoi effetti, aumentare o diminuire l’intensità della luce.




OSSERVAZIONI.


Premetto che nell’ultimo punto del procedimento, noi facciamo variare l’intensità perché secondo la teoria ondulatoria l’Energia di un’onda è strettamente legata all’intensità o al quadrato dell’ampiezza.


Quando carichiamo negativamente l’elettroscopio, questi permette il divaricamento delle lamine di Zn, per il fatto che due corpi elettrizzati con specie uguali, si respingono.


Proiettando luce bianca inizialmente, non avviene nessun fenomeno e per questo possiamo solamente aumentare l’intensità in modo tale da aumentare l’energia dell’onda. (non avrebbe alcun senso far diminuire l’Energia.)


Aumentando l’intensità (potremmo arrivare anche a far fondere le lamine di Zn) non osserviamo nessun fenomeno, ovvero le lamine rimangono elettrizzate negativamente e non subiscono variazione.




PROCEDIMENTO 2^


*  Carichiamo ancora negativamente l’elettroscopio mediante lo stesso meccanismo ovvero lo strofinio. (osserviamo lo stesso fenomeno precedente.)


*  Prendiamo una lampada al mercurio che produce raggi ultravioletti e proiettiamo questi sulle lamine di Zn che sono divaricate.



* Osservare il fenomeno,, aumentando e diminuendo l’intensità.




OSSERVAZIONI


C’è da fare una doverosa osservazione a livello concettuale, ovvero i raggi ultravioletti hanno una frequenza maggiore rispetto alla luce bianca ( e di conseguenza una lunghezza d’onda minore).


Con questa seconda parte dell’esperimento osserviamo che quando i raggi UV raggiungono le lamine, queste ritornano nello stato normale di neutralizzazione. Da ciò possiamo ipotizzare che le lamine hanno perso l’eccesso di elettroni che avevano acquistato mediante lo strofinio. È stata propriamente la luce UV ha causare la fuoriuscita degli elettroni che si sono dispersi nell’aria.




Siccome ad una intensità iniziale, la lampada UV ha espulso elettroni, possiamo far diminuire l’intensità della luce (allontanando progressivamente la lampada), infatti non avrebbe senso far aumentare l’Energia dell’onda. In questo caso vediamo che anche diminuendo l’energia, gli elettroni vengono espulsi nel medesimo modo precedente.





ELABORAZIONE DATI E CONCLUSIONI.


Negli sperimenti precedentemente eseguiti, vediamo che appare ai nostri occhi un fenomeno al quanto strano e la sua stranezza aumenta se consideriamo che ad un certo punto l’energia delle due onde elettromagnetiche sono circa uguali. (Ciò è dovuto all’innalzamento dell’intensità della luce bianca e all’abbassamento dell’intensità della lampada UV).

Ma allora ci chiediamo: come può avvenire questo fenomeno? La luce fa delle preferenze?


Ma procediamo per ordine e seguiamo uno schema logico!


L’effetto foto-elettrico (ovvero l’espulsione di elettroni da lamine di metallo) può essere spiegato, superficialmente con la teoria ondulatoria della luce, ovvero, per espellere degli elettroni bisogna che l’onda elettromagnetica abbia una Energia maggiore all’energia che tiene l’elettrone all’interno dell’atomo, e ciò è possibilissimo.

Come ben sappiamo l’Energia di un’onda è proporzionale al quadrato dell’ampiezza, ovvero alla sua intensità (altri fattori come la frequenza non sono influenti) e con questo dato in più dobbiamo prendere per vero anche il fatto che noi possiamo utilizzare qualsiasi tipo di luce per avere effetto-fotoelettrico, basta ottenere l’Energia necessaria, potremmo usare allora anche luce bianca.

Quindi utilizzando luce bianca o UV a pari intensità dovremmo avere la stessa espulsione di elettroni con E cinetica uguale, e diminuendo l’intensità di entrambi, non dovremmo più avere nessun elettrone espulso,(indipendentemente dalla frequenza).

Fin qui apparirebbe tutto normale, peccato che l’esperimento empirico non sia coerente con ciò appena detto. (infatti pur diminuendo l’intensità della lampada UV questa permette l’espulsione).


Ma la natura della luce non è solo spiegata dalla teoria ondulatoria, nel passato il fisico Newton aveva formulato una diversa teoria, quella corpuscolare.

Questa teoria afferma che la luce sia formata da particelle spazialmente localizzate e che quindi hanno una energia al loro interno.

Questa energia , secondo gli studi di Eistein, e considerando l’unico parametro non preso in discussione, ma che è una caratteristica determinata di ogni onda, dipende sostanzialmente dalla frequenza.

Quindi E = f (frequenza) rappresenta l’ energia di ogni corpuscolo o fotone.

L’effetto fotoelettrico viene spiegato in questo modo:

Vi è espulsione perché tra il fotone e l’elettrone del metallo avviene un urto che permette di far schizzare via quest’ultimo. Il fotone deve possedere una certa Energia che dipende dalla frequenza.

Ogni elettrone può essere bombardato da un solo fotone.




L’elettrone quando viene espulso acquista energia “cinetica” e da ciò si mette in moto. L’energia cinetica è proporzionale all’energia del fotone e questa a sua volta dalla frequenza.

Quindi energia cinetica è proporzionale alla frequenza.


E cin = E fotone – E soglia.                E cin = H* f – E soglia ( la proporzionalità viene considerata la più semplice possibile).


Facendo un grafico che rappresenta questa equazione ( che ha per scheletro y = mx –q), otteniamo:




Nel grafico vi è sull’asse delle ascisse la frequenza (x), mentre sull’asse delle ordinate vi è rappresentata l’E. cinetica dell’elettrone.    m è la costante di ck pari a 6,63* 10 –34 J*s.


Da ciò possiamo vedere che vi è una frequenza di soglia dove al di sotto non avviene il fenomeno.



Detto questo vediamo che la teoria corpuscolare pur essendo più complicata da capire ( sempre se si riesce) ha molti punti a suo fare e spiega perfettamente l’esperienza, infatti fa dipendere l’effetto non dall’intensità, ma dalla frequenza, e così capiamo che vi è effetto fotoelettrico anche se l’intensità della lampada UV è infinitesimamente piccola perché questa ha una frequenza che permette ai fotoni che costituiscono la luce di strappare gli elettroni, cosa impossibile a quelli della luce bianca perché vuol dire che non raggiungono la frequenza di soglia.


E l’intensità che cosa indica??

L’intensità indica l’energia totale, o il numero di fotoni della luce che colpiscono le lamine di metallo e con ciò possiamo affermare che l’energia cinetica degli elettroni non dipendono dalla I, ma da essa dipende il n° di elettroni espulsi perché maggior intensità, vuol dire maggior numero di fotoni e quindi più urti.



Detto tutto ciò potremmo affermare che la natura della luce è spiegata senza ombra di dubbio dalla teoria corpuscolare, che Maxwell ha sbagliato tutto e potremmo ritenerci soddisfatti, ma . .

Non tutto è rose e fiori infatti pensandoci bene i dubbi ci sono, e come , e non solo di carattere fisico, ma anche filosofico.


Se la teoria ondulatoria di Maxwell è errata perché i fenomeni caratteristici di un’onda avvengono anche per la luce (vedi premesse)?

Ma ancora più importante: se la luce è formata da particelle, perché per calcolare l’energia dei fotoni utilizziamo un parametro caratteristico dell’onda ovvero la frequenza????


E così arriviamo alla domanda più difficile, ad un vero enigma attua: la luce cos’è, un’onda o un insieme di particelle?? O qualcos’altro?



IN PIU’


Attraverso altri esprimenti non effettuati da noi in classe, abbiamo visto che anche l’elettrone da fenomeni di rifrazione (proprio come l’onda) e quindi se noi siamo fatti di atomi, caratterizzati da elettroni, alla fine, noi cosa siamo??? Ovvero quali sono i mattoni che ci compongono???







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