Effetti Fotoelettronici
I primi esperimenti sulla dualità Onda-Particella furono fatti dal fisico tedesco Max Planck (1858-1947). Usando un radiatore a corpo nero (uguale emettitore e assorbitore di radiazioni a tutte le lunghezze d’onda), Planck derivò l’equazione per la più piccola quantità di energia che può essere trasformata in luce
dove h è la costante di Planck 6.626×10-34 J.S e v è la frequenza.
Ha anche formulato la teoria quantistica dicendo che la luce emessa aveva livelli discreti di energia, e che l’energia irradiata era quantizzata;
E=nhv
(dove n è un numero intero, e può essere zero o un numero positivo).
La quantizzazione dell’energia afferma che ci sono valori discreti o stati, e le energie tra i valori di n sono vietate. Quindi, ha affermato che se un numero x di particelle fosse presente con un certo valore di frequenza, allora l’energia sarebbe
E=xhv
La frequenza è legata alla lunghezza d’onda dove c=vλ o v=c/λ
Sostituire v=c/λ nell’equazione precedente, abbiamo
E=xhc/λ
Nel 1905, Einstein assunse che le energie discrete di Planck sono pacchetti di energia chiamati fotoni. L’energia totale di un sistema è uguale all’energia cinetica più l’energia potenziale, e come sempre si applica la legge di conservazione dell’energia. Einstein spiegò che nell’energia dell’effetto fotoelettrico l’energia di ogni fotone viene assorbita da un elettrone in un dato metallo, e come risultato l’elettrone è in grado di espellere se l’energia del fotone è uguale o superiore all’energia di soglia (Figura 2). L’energia di soglia è la quantità di energia necessaria per espellere un elettrone, ed è chiamata funzione lavoro Φ.
Siccome E=hv
possiamo riscrivere l’equazione per mostrare che l’energia totale è uguale a Φ più l’energia cinetica
E = Φ + KE = hv
L’effetto fotoelettrico mostra che la luce si comporta come un fotone o una particella carica di energia, in altre parole le onde luminose si comportano come particelle.
Secondo la teoria delle particelle della luce, l’energia luminosa aumenterà ad un valore discreto e finito a meno che λ non vada a zero, cosa che non accadrà mai secondo la teoria delle particelle in una scatola unidimensionale. Questo aiuta a spiegare l’osservazione della radiazione del corpo nero.