mercoledì 10 febbraio 2016

EFFETTO FOTOELETTRICO


EFFETTO FOTOELETTRICO




L'effetto fotoelettrico è quel fenomeno che si verifica quando un certo materiale (esempio zinco) emette elettroni (detti fotoelettroni) se irradiato da una radiazione elettromagnetica di una certa frequenza.(esempio ultravioletti). Esiste una frequenza minima della radiazione f0 (detta frequenza di soglia) sotto la quale non vengono emessi elettroni.
La spiegazione del fenomeno è in apparenza abbastanza semplice: fornendo energia agli elettroni pari al LAVORO DI ESTRAZIONE L (energia minima per estrarre l'elettrone), l'elettrone  si libera dal legame atomico. Quello che accade anche nell'EFFETTO TERMOELETTRICO dove un filamento incandescente portato ad una certa temperatura libera elettroni.
In realtà nell'effetto fotoelettrico accade qualcosa di strano che è difficile da spiegare. 
1) Se la frequenza della radiazione è minore della frequenza di soglia non vengono estratti elettroni nemmeno aumentando l'intensità della radiazione (e quindi la quantità di energia fornita)
2) se la frequenza della radiazione è maggiore della frequenza di soglia viene estratto un certo numero di elettroni con una certa energia E. Aumentando l'intesità della stessa radiazione aumenta anche il numero di elettroni ma loro energia rimane la stessa.
3) per aumentare l'energia degli elettrono emessi bisogna aumentare la frequenza della radiazione incidente.
Quindi per f>f0 :
AUMENTA L'INTENSITA'--> SALE IL N° DI ELETTRONI
AUMENTA LA FREQUENZA -->SALE LA LORO ENERGIA




Lo studio del fenomeno ha portato alla nascita della fisica quantistica.
simulazione


Si è capito che l'energia è QUANTIZZATA. Cosa vuol dire?

L'energia trasportata dalla radiazione è formata da "granuli" di energia che contengono una quantità di energia pari a    E= hf proporzionale alla frequenza della radiazione e detti FOTONI.
Per estrarre un elettrone è necessario fornire un'energia pari al LAVORO DI ESTRAZIONE:  L=hf0 dove f0 è la frequenza di soglia.
1) per f<fl'energia del fotone E=hf non è sufficiente ad estrarre nessun elettrone anche se si aumenta l'intensità (cioè il numero di fotoni). Infatti l'energia del singolo fotone è assorbita tutta in un colpo.
2) L'elettrone è emesso solo quando l'energia del fotone E=hf0  è uguale dell'energia di estrazione L. In questo caso l'elettrone emesso ha energia nulla.
3) Se f>f0 e si aumenta la frequenza mantenendo costante l'intensità aumenta l'energia cinetica dell'elettrone emesso. Infatti l'energia dell'elettrone è pari alla differenza tra l'energia totale fornita  e quella necessaria all'estrazione. Dunque:
ENERGIA CINETICA ELETTRONE EMESSO K=hf-hf0 
4)Mantenendo costante la frequenza (f>f0) e aumentando l'intensità cresce il numero di fotoni che arrivano sul materiale e quindi cresce il numero di elettroni emessi ma la loro energia non aumenta.

Farò un semplice esempio. Supponiamo di avere una fiamma e di volerla spegnere con acqua. Per spegnere la fiamma è sufficiente un bicchiere d'acqua. Abbiamo a disposizione 1000 litri di acqua di un pozzo.
Se l'energia (e quindi la quantità d'acqua fosse continua) si potrebbe scegliere una qualunque quantità d'acqua sufficiente per spegnere l'incendio. 
Nel caso quantistico  è come possedere solo un contagocce per l'operazione di spegnimento. 
Una goccia per volta non spegne sicuramente la fiamma.
Nella analogia la goccia d'acqua è il fotone che contiene una quantità E=hf dove h è la costante di Planck e f è la frequenza della radiazione.


Segue una videolezione sull'effetto fotoelettrico:

Per definizione il POTENZIALE DI ARRESTO e il potenziale d'applicare all'elettrone per fermarlo ed è uguale alla sua energia cinetica. Quindi eVa=hf- Lest
 Il grafico potenziale di arresto - frequenza è una retta :
 

IL PROBLEMA DEL CORPO NERO

IL PROBLEMA DEL CORPO NERO


La videolezione (ITA) spiega il problema del corpo nero.
Il corpo nero è un corpo che assorbe e riemette tutte le frequenze della radiazione in modo uniforme in quanto non vi sono riflessioni.

Ogni corpo ad una temperatura T emette radiazione elettromagnetica (si può dire che irradia energia termica).

Ad esempio una lampadina ad incandescenza irradia infrarossi e luce visibile.
La radiazione emessa da un corpo si può descrivere con lo spettro del corpo (grafico Intensità - Frequenza/lunghezza d'onda) che indica l'intesità della radiazione in corrispondenza della frequenza emessa.
Da cosa dipende la forma dello spettro
Consideriamo il caso particolare del corpo nero.
Il  CORPO NERO è un corpo che assorbe tutta la radiazione incidente.
Il corpo nero si può schematizzare come una sfera cava (cavità) in equilibrio termico e con un piccolo forellino. La radiazione che entra subisce continue riflessioni interne fino ad essere assorbita completamente. 
Il corpo nero è quindi un corpo in EQUILIBRIO TERMICO. L'energia della radiazione emessa è uguale a quella assorbita.
Un forno acceso è con buona approssimazione un corpo nero. Anche il Sole si può considerare come un corpo nero.
Lo spettro del corpo nero  ha una forma caratteristica a campana. (ricavato sperimentalmente alla fine del 1800)
Il grafico presenta un picco massimo in corrispondenza di una certa lunghezza d'onda detto picco di emissione
Lo spettro del corpo nero è uno spettro CONTINUO (cioè assume valori su tutte le frequenze) è la tipica forma a campana dove il PICCO DI EMISSIONE è la lunghezza d'onda a cui corrisponde la massima emissione (INTENSITA') della radiazione emessa.  

ATTENZIONE: lo spettro del corpo nero DIPENDE SOLO dalla temperatura T del corpo e non dipende dalla sua natura.
https://phet.colorado.edu/sims/blackbody-spectrum/blackbody-spectrum_it.html

Il PICCO DI EMISSIONE dipende dalla temperatura del corpo  secondo la LEGGE WIEN:
La lunghezza d'onda di picco è inversamente proporzionale alla temperatura assoluta del corpo.
La costante è :
 
All'aumentare della temperatura T il picco si sposta su lunghezze d'onda minori (frequenze maggiori) come mostrato dal grafico. 
Ad esempio quando si scalda un metallo alla fiamma cambia colore passando da un colore rosso/arancione ad un colore azzurro/bianco. 
ATTENZIONE: tutti i corpi neri alla stessa temperatura T hanno lo stesso identico spettro.
Quindi dal colore del Sole  si può dedurre il picco di emissione (la frequenza del giallo/rosso) e quindi la sua temperatura di circa 5800K. 


Lo stesso per le stelle. Le stelle azzurre sono più calde di quelle rosse.

Alla fine del 1800 era nota la LEGGE DI STEFAN BOLTZMANN ricavata con metodi termodinamici:
La potenza complessiva emessa su unità di superficie (Intensità) da un corpo nero è direttamente proporzionale alla potenza quarta della temperatura assoluta
NB: P è uguale all'area sottesa dal grafico dello spettro essendo l'integrale della funzione.

Alla fine dell'800 era noto  il grafico che caratterizzava lo spettro del corpo nero ma non era nota l'espressione analitica della funzione :
 Rayleight-Jeans proposero una funzione ricavata dalle leggi della fisica classica. Questa funzione andava molto bene per frequenze basse (per frequenze sul rosso) mentre creava grossi problemi per quelle più alte (ultravioletto)


Infatti per frequenze maggiori la funzione continuava a crescere in modo esponenziale. Quindi secondo tale modello l'energia irradiata dal corpo nero diventava infinita per alte frequenze e ciò andava contro la legge di conservazione dell'energia. Questo problema passò alla storia con il nome di CATASTROFE ULTRAVIOLETTA.

Nel 1900 Max Plank propose una SOLUZIONE rivoluzionaria partendo dall'ipotesi che l'energia fosse emessa o assorbita in modo DISCRETO (quantizzato) secondo pacchetti di energia elementare (e quindi non in modo continuo come si era sempre pensato!!)

La quantità minima di energia (QUANTO DI ENERGIA) è direttamente proporzionale alla frequenza e valeva: 
 h è la COSTANTE DI PLANCK
è molto piccola e questo è motivo della difficoltà di evidenziare la natura discreta dell'energia.

Seguono delle videolezioni in italiano sull'argomento:








EQUILIBRIO SUL PIANO INCLINATO





PIANO INCLINATO

Un corpo posto in un piano inclinato privo di attrito è sottoposto alla forza peso. La forza responsabile del moto lungo il piano inclinato è la componente P// del peso parallela al piano. P//=P senα dove senα=L/h (L=lunghezza  e h= altezza).


Segue un applet che simula una discesa lungo il piano inclinato in presenza di attrito:

Segue un video della Zanichelli di un esperimento per la misura della forza di attrito sul piano inclinato.

L'esperimento si può facilmente ripetere in laboratorio. Vedi la scheda della relazione svolta dall'alunna Poli Viviana della clase 1Es anno scolastico 2015-16: SCHEDA


FORZA DI ATTRITO


ATTRITO RADENTE
La forza di attritodipende dal contatto tra la superficie del corpo e e quella del piano di appoggio. La forza di attrito radente è direttamente proporzionale alla componente perpendicolare al piano della forza risultante applicata al corpo. Se non sono applicate forze questa è la componente perpendicolare al piano del peso del corpo.
Fa=kP┴
dove k è il coefficiente di attrito (è adimensionale) dipende dalle caratterestiche del materiale del corpo e della superficie di appoggio.
  
lezione Zanichelli (italiano)
esperimento per determinare il coefficiente di attrito (inglese)


un video che spiega la natura della forza di attrito