Ogni qual volta una radiazione elettromagnetica con sufficiente energia (come la luce) colpisce una superficie metallica, può verificarsi l'emissione di elettroni: in fisica questo fenomeno si chiama effetto fotoelettrico. La comprensione di questo fenomeno permise ad Albert Einstein di vincere il premio Nobel nel 1921, grazie alla descrizione quantistica e corpuscolare della luce, attraverso i quanti (pacchetti) di luce, comunemente chiamati fotoni. In questo articolo vediamo cos'è, come funziona e quali sono le applicazioni di questo fenomeno.
Un po’ di storia
L’effetto fotoelettrico fu osservato da Heinrich Rudolf Hertz nel 1887. Numerosi ricercatori, fra cui Augusto Righi, cominciarono a studiare il fenomeno negli stessi anni. Proprio Righi misurò la generazione di cariche positive su di una piastra illuminata da radiazione, e dunque la produzione di elettricità.
Nel 1905 Albert Einstein intuì che la radiazione elettromagnetica è composta da pacchetti di energia, chiamati quanti di luce o fotoni, i quali, se abbastanza energetici, possono liberare degli elettroni – anche chiamati fotoelettroni – dalla superficie illuminata, generando una corrente. Questa interpretazione quantistica e "corpuscolare" della luce – corpuscolare poiché considera i fotoni come particelle e non più soltanto come onde – non fu subito accettata da alcuni intellettuali illustri del suo tempo, come Max Plank e Hendrick Lorentz. Solo nel 1921 Arthur Holly Compton fu capace di verificare e confermare l’ipotesi dei quanti di luce di Einstein.
Nel 1921 Einstein vinse il premio Nobel per l’effetto fotoelettrico e Compton lo seguì, nel 1927, per aver scoperto un altro effetto, l’effetto Compton. Quest’ultimo descrive il processo di diffusione di un fotone a seguito di un urto con una particella carica elettricamente, come un elettrone.
Quanto di luce ed energia di estrazione
La radiazione elettromagnetica, come descritta da Einstein, si comporta seguendo le leggi della fisica quantistica, ovvero l’energia che trasporta non è continua ma suddivisa in pacchetti, chiamati quanti. Ogni fotone, interagendo con la superficie, può liberare un elettrone dalla superficie solo se l’energia del fotone stesso è superiore all’energia di legame fra l’elettrone e l’atomo.
L'energia minima del fotone per riuscire a strappare gli elettroni è chiamata energia di estrazione. Questa energia dipende delle caratteristiche atomiche del materiale e si misura solitamente in elettronvolt (eV). Un elettronvolt corrisponde all’energia guadagnata da un elettrone se viene applicata una differenza di potenziale di 1 Volt. Ad esempio, per estrarre un elettrone da una superficie in rame servono circa 4.5 eV, ovvero l’energia trasportata dai raggi ultravioletti (UV), mentre la luce verde è sufficiente per estrarre elettroni dal sodio, con soli 2.3 eV.
Applicazioni ed esempi
Questo fenomeno viene utilizzato per molte applicazioni della vita di tutti i giorni. Proprio le cellule fotoelettriche dei cancelli automatici sfruttano la conversione di un segnale elettromagnetico in elettrico. Inoltre, le celle dei pannelli fotovoltaici producono energia elettrica sfruttando l’effetto fotovoltaico, che si basa sull’effetto fotoelettrico.
L’effetto fotovoltaico consiste nella produzione di una corrente elettronica all’interno della superficie irradiata, quando un elettrone passa da uno stato a più bassa energia (la banda di valenza) ad uno stato più energetico (la banda di conduzione), grazie all’energia ricevuta dalla radiazione solare.
Questo fenomeno viene sfruttato anche in ricerca, per studiare le proprietà della materia attraverso analisi spettroscopiche, ad esempio all’interno dei sincrotroni.
Infine, è possibile assistere a questo fenomeno anche nello spazio, in particolare nelle navicelle spaziali e sulla superficie lunare: se colpite da radiazione si caricano positivamente. Sulla Luna, ad esempio, la polvere del suolo caricata elettricamente può sollevarsi, mediante levitazione elettrostatica.
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