Effetto fotoelettrico

Non tutte le onde elettromagnetiche causeranno l'effetto fotoelettrico, solo le radiazioni di una certa frequenza o superiore causeranno l'effetto. La frequenza minima necessaria è chiamata "frequenza di taglio" o "frequenza di soglia". La frequenza di cutoff è usata per trovare la funzione di lavoro, w {displaystyle w} che è la quantità di energia che trattiene l'elettrone alla superficie del metallo. La funzione di lavoro è una proprietà del metallo e non è influenzata dalla radiazione in arrivo. Se una frequenza di luce colpisce la superficie metallica che è maggiore della frequenza di cutoff, allora l'elettrone emesso avrà una certa energia cinetica.

L'energia di un fotone che causa l'effetto fotoelettrico si trova attraverso E = h f = K E + w {displaystyle E=hf=KE+w} dove h è la costante di Planck, 6,626×10-34 J-s, f è la frequenza dell'onda elettromagnetica, K E è l'energia cinetica del fotoelettrone e w è la funzione lavoro del metallo. Se il fotone ha molta energia, può avvenire lo scattering Compton (~ migliaia di eV) o la produzione di coppie (~ milioni di eV).

L'intensità della luce da sola non causa l'espulsione di elettroni. Solo la luce della frequenza di taglio o superiore può farlo. Tuttavia, aumentando l'intensità della luce aumenterà il numero di elettroni emessi, a condizione che la frequenza sia superiore alla frequenza di taglio.

Heinrich Hertz fece la prima osservazione dell'effetto fotoelettrico nel 1887. Riferì che una scintilla saltava più facilmente tra due sfere cariche se la luce brillava su di esse. Furono fatti ulteriori studi per conoscere l'effetto osservato da Hertz. Nel 1902, Philipp Lenard dimostrò che l'energia cinetica di un fotoelettrone non dipende dall'intensità della luce. Tuttavia, fu solo nel 1905 che Einstein propose una teoria che spiegava completamente l'effetto. La teoria dice che la radiazione elettromagnetica è una serie di particelle, chiamate fotoni. I fotoni si scontrano con gli elettroni sulla superficie e li emettono. Questa teoria andava contro la convinzione che la radiazione elettromagnetica fosse un'onda. Così, all'inizio non fu riconosciuta come corretta. Nel 1916, Robert Millikan pubblicò i risultati degli esperimenti utilizzando un fototubo a vuoto. Il suo lavoro dimostrò che l'equazione fotoelettrica di Einstein spiegava il comportamento molto accuratamente. Tuttavia, Millikan e altri scienziati furono più lenti ad accettare la teoria di Einstein dei quanti di luce. La teoria delle onde della radiazione elettromagnetica di Maxwell non può spiegare l'effetto fotoelettrico e la radiazione del corpo nero. Questi sono spiegati dalla meccanica quantistica.