Italiano

Effetto fotoelettrico

Scuola secondaria di secondo gradoFisicaEquazione fotoelettrica di Einstein K = hf - φ in una cellula fotoelettrica a vuoto

Sblocca questo laboratorio con un pass

Un pass dà accesso a tutte le simulazioni del sito, compresa la modalità Presentazione per le lezioni. I materiali didattici qui sotto restano gratuiti per tutti.

Vedi i passHo già un pass

Pagamento una tantum, nessun abbonamento.

Informazioni su questo esperimento

Quando la luce colpisce un metallo pulito, può espellere elettroni dalla sua superficie. La sorpresa, spiegata da Einstein nel 1905, è che a determinare se questo accade è il colore della luce, non la sua luminosità. La luce arriva in pacchetti chiamati fotoni, ciascuno con energia hf. Un fotone può liberare un elettrone solo se la sua energia è maggiore del lavoro di estrazione del metallo; l’energia rimanente diventa energia cinetica dell’elettrone. Cambia la lunghezza d’onda, la luminosità, il metallo e la tensione, e misura la tensione di arresto per ricavare da solo la costante di Planck.

Obiettivi di apprendimento

  • Descrivi l’effetto fotoelettrico e il concetto di frequenza di soglia.
  • Usa E = hf per determinare l’energia di un fotone a partire dalla sua frequenza o lunghezza d’onda.
  • Applica l’equazione fotoelettrica K_max = hf - φ.
  • Spiega perché la tensione di arresto dipende dalla frequenza ma non dall’intensità.
  • Spiega perché l’effetto fotoelettrico conferma il modello corpuscolare della luce.

Come si usa

  1. 1Osserva gli elettroni con sodio e luce a 400 nm. Ora aumenta lentamente la lunghezza d’onda. A quale lunghezza d’onda smettono di essere emessi?
  2. 2Imposta una lunghezza d’onda che liberi elettroni e modifica l’intensità. Che cosa cambia: il numero di elettroni, la loro velocità o entrambi?
  3. 3Rendi la tensione del collettore sempre più negativa finché la corrente non raggiunge appena lo zero. Confronta questa tensione di arresto con l’energia cinetica massima.
  4. 4Misura la tensione di arresto a 250, 300, 350 e 400 nm. Rappresentala in funzione della frequenza e determina la pendenza.
  5. 5Passa a «Energia e frequenza». Perché tutte le rette hanno la stessa pendenza?
  6. 6Prova lo zinco con la luce visibile e poi con quella ultravioletta. Quali metalli funzionerebbero in un esposimetro per la luce visibile?

Il modello

Energia di un fotone; con λ in nm, E in eV è circa 1240 / λ
Equazione fotoelettrica di Einstein: il lavoro di estrazione φ è l’energia minima necessaria per liberare un elettrone
La tensione di arresto ferma anche gli elettroni più veloci
Frequenza di soglia: al di sotto di essa non vengono liberati elettroni, per quanto intensa sia la luce

Ipotesi

  • Ogni fotone libera al massimo un elettrone e una piccola frazione fissa dei fotoni al di sopra della soglia libera un elettrone, quindi la corrente di saturazione è proporzionale all’intensità.
  • Gli elettroni liberati hanno energie cinetiche distribuite uniformemente tra zero e K_max, quindi la corrente diminuisce in modo lineare all’aumentare della tensione di arresto.
  • Entrambe le piastre sono nel vuoto. Si trascurano il potenziale di contatto tra i due metalli e qualsiasi corrente a tensioni positive superiori alla saturazione.
  • Le funzioni lavoro sono valori tipici per superfici pulite; le superfici reali variano di alcuni decimi di elettronvolt.

Provalo in classe

  1. Q1Perché una lampada rossa molto luminosa non libera elettroni dallo zinco, mentre una debole lampada ultravioletta sì?
  2. Q2Una luce di lunghezza d’onda di 300 nm incide sul calcio (φ = 2,87 eV). Qual è la tensione di arresto?
  3. Q3Se l’intensità raddoppia, che cosa succede alla corrente di saturazione e alla tensione di arresto?
  4. Q4Perché gli elettroni non hanno tutti la stessa energia cinetica, anche quando la luce ha una sola lunghezza d’onda?
  5. Q5Il modello ondulatorio prevede che la luce debole impieghi del tempo per accumulare energia sufficiente a liberare un elettrone. Perché non si osserva un simile ritardo?

Domande frequenti

Che cos’è il lavoro di estrazione?

È l’energia minima necessaria per estrarre un elettrone dalla superficie di un metallo. Gli elettroni che si trovano più in profondità nel metallo necessitano di più energia; per questo gli elettroni liberati presentano una gamma di energie cinetiche fino a K_max.

Come posso determinare la costante di Planck con questo esperimento?

Misura la tensione di arresto per diverse lunghezze d’onda, converti le lunghezze d’onda in frequenze e traccia eV in funzione di f. La pendenza della retta è h, circa 4,14 × 10⁻¹⁵ eV s o 6,63 × 10⁻³⁴ J s.

Perché la corrente è la stessa per tutte le tensioni positive?

Quando il collettore diventa positivo, tutti gli elettroni liberati lo raggiungono, quindi la corrente è limitata dal numero di elettroni liberati ogni secondo. Questo numero dipende dall’intensità della luce, non dalla tensione.