Effetto fotoelettrico

 


Effetto fotoelettrico

 

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Effetto fotoelettrico

 

L'effetto fotoelettrico

Gli esperimenti di diffrazione, di interferenza e di polarizzazione studiati sembrano dimostrare definitivamente che la luce si comporta come un'onda.

Ma altri fenomeni, di cui ora parleremo, mostrano che a volte, nell'interagire con la materia, la luce si  comporta piuttosto  come  un  insieme  di  corpuscoli! 
Si tratta tuttavia  di corpuscoli dalle proprietà ben diverse da quelle dei corpuscoli materiali a cui pensava Newton.

Vedremo che la luce si presenta sotto due aspetti: quello ondulatorio e quello corpuscolare, che si manifestano separatamente in fenomeni diversi.

L'aspetto corpuscolare della luce viene osservato solo quando essa interagisce con porzioni di materia molto piccole, come singoli atomi oppure singoli elettroni.

Uno dei fenomeni che possono essere spiegati solamente ammettendo che la luce si comporti come un insieme di corpuscoli è l’effetto fotoelettrico.

Si tratta di questo: quando una superficie metallica viene illuminata si può osservare la fuoruscita di alcuni dei suoi elettroni di conduzione (se la frequenza della radiazione incidente è maggiore di un certo valore).

Per mettere in evidenza questo fenomeno si ricorre ad un dispositivo simile a quello illustrato nella figura. L'elettrodo C e l'elettrodo A sono collegati, rispettivamente, ai poli negativo e positivo di un generatore di tensione (batteria). Quando la superficie di C viene illuminata con luce adatta, l’amperometro indica il passaggio di una corrente elettrica. Nei primi esperimenti su questo fenomeno, i due elettrodi erano racchiusi in un'ampolla nella quale era stato fatto il vuoto, e l'elettrodo C veniva irradiato con radiazioni ultraviolette. Per permettere a queste radiazioni di raggiungere C, l'ampolla aveva una «finestra» di quarzo (infatti il vetro comune è opaco alle radiazioni ultraviolette).

 

Si scoprì che:
1. il numero dei fotoelettroni (cioè degli elettroni emessi dalla superficie illuminata) dipende dall'intensità della radiazione incidente;
2. l'energia cinetica massima dei fotoelettroni dipende dalla frequenza della radiazione incidente;
3. al di sotto di una certa frequenza chiamata frequenza di soglia, caratteristica di ogni metallo, non vengono emessi fotoelettroni, anche se la radiazione incidente è molto intensa.

Spieghiamo meglio ciascun punto:

  1. l’anodo A avendo un potenziale positivo rispetto a C raccoglie gli elettroni emessi da C, all’aumentare del potenziale il valore della corrente aumenta fino a quando tutti gli elettroni emessi sono raccolti da C. Il grafico illustra la situazione: al crescere della tensione cresce la corrente fino ad un valore massimo (corrente di saturazione).
  2. Inoltre quando aumenta l’intensità della radiazione luminosa aumenta anche la corrente a causa di una maggiore emissione di fotoelettroni.

Questi fatti mal si accordavano con il comportamento ondulatorio della luce. Infatti l'energia trasportata dalle onde cresce con la loro ampiezza, che nel caso della luce è rappresentata dall'intensità; ma l'energia dei fotoelettroni non dipendeva dall'intensità della radiazione.
Non si spiegava, inoltre, per quale ragione un'onda anche di debole intensità, pur di avere la frequenza adatta, riuscisse a compiere il lavoro necessario per estrarre gli elettroni dal metallo mentre un'onda di frequenza inferiore, anche se portava molta energia, non riusciva ad estrarne neppure uno.

La via d'uscita da questa apparente contraddizione fu indicata da Albert Einstein nel 1905, applicando un'ipotesi proposta nel 1900 da Max Planck: l'energia della radiazione si comporta come se fosse suddivisa in tanti pacchetti

 

Fonte: http://xoomer.virgilio.it/pietromantelli/documenti/4/effetto%20fotoelettrico%20.doc

Autore del testo: non indicato nel documento di origine

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L’effetto fotoelettrico

 

Nella seconda metà del XIX secolo i progressi in campo sperimentale permisero di aprire nuovi orizzonti alla ricerca fisica. La scoperta dell'elettrone e della radioattività, le ricerche spettroscopiche sulle proprietà degli atomi e della radiazione elettromagnetica crearono le condizioni per la nascita della fisica quantistica. A questo proposito dell'effetto fotoelettrico di Einstein e la teoria atomica di Bohr.

 


Cos'è l'effetto fotoelettrico?

Si verifica sperimentalmente che un metallo colpito da un fascio di luce, con sufficiente energia, emette elettroni.

 

 

 

 

 

 

Per esempio, si può causare il passaggio di corrente in un circuito semplicemente illuminando una lastra metallica.

 

Quale può essere la causa di questo fenomeno?

All'interno di una qualsiasi sostanza sono presenti particelle di carica negativa - gli elettroni - legati ai nuclei atomici (che hanno carica contraria), e non si possono allontanare spontaneamente dall’atomo di appartenenza.
Gli elettroni possono però essere sottratti al materiale compiendo su di essi un certo lavoro di estrazione, pari alla loro energia di legame, fornendo ad essi una determinata velocità e allontanandoli per sempre dall’oggetto.
Un modo possibile per fornire questa energia agli elettroni consiste nell'illuminare il materiale. Sappiamo infatti che la luce trasporta energia (la temperatura di un oggetto illuminato aumenta).

Cosa è spiegabile l’effetto fotoelettrico sulla base del modello ondulatorio della luce?

Sappiamo che le onde trasportano energia. Quindi, se un'onda luminosa colpisce un elettrone in uno degli atomi del metallo, può trasferirgli l’energia sufficiente per abbandonare la superficie del metallo.
Sappiamo che l’energia di un’onda è tale che:

,

che è proporzionale all’intensità   ,

Dal punto di vista della teoria ondulatoria:

  • un elettrone colpito dalla luce dovrebbe assumere energia con continuità fino ad essere in grado di superare la "barriera" ed uscire dal metallo. Ogni elettrone, colpito da luce di qualunque frequenza, prima o poi, appena raggiunta l'energia sufficiente, dovrebbe uscire dal metallo.

 

  • il flusso di energia associato ad una radiazione è proporzionale all’intensità, quindi l'energia trasmessa dalla radiazione stessa ad un elettrone sarà proporzionale a I e al tempo di illuminazione. Ci si attende allora che per un dato valore di I, trascorso un certo tempo critico (dipendente da I e dal tipo di sostanza), l'elettrone abbia acquistato un'energia pari a w, che gli permetta di lasciare il materiale. Ad intensità luminose superiori corrisponderà un tempo critico minore, e quindi anche un maggior flusso di elettroni emessi.

 

 


Tuttavia i risultati sperimentali ottenuti dallo studio di questo fenomeno portavano ai seguenti grafici:

  • La caratteristica fondamentale dell'effetto fotoelettrico è quella di avere una soglia di frequenza ν0 specifica per ogni metallo cioè, il fenomeno avviene solo se la frequenza della radiazione supera un certo valore tipico di ogni metallo. Se la radiazione non possiede la frequenza giusta, non si ha emissione di elettroni:

La frequenza di soglia può andare dall'infrarosso, per certi sali di cesio, all'ultravioletto, per il platino, al di sotto della quale non si osserva emissione di elettroni; per i metalli alcalini ν0 è centrato nel visibile.

  • L'energia cinetica degli elettroni dipende linearmente dalla frequenza ν della radiazione e non dalla intensità della radiazione luminosa incidente.

 

 

 

  • l’ emissione fotoelettrica inizia pressoché immediatamente con l’arrivo della radiazione.

  • Il diagramma mostra che il numero degli elettroni emessi aumenta all'aumentare della intensità della radiazione secondo una legge di proporzionalità diretta.

Le modalità con cui avviene l’effetto fotoelettrico sono diverse da quelle previste dalla teoria ondulatoria della luce.

 

In pratica si assiste al fallimento completo della previsione classica, basata sulla natura ondulatoria della radiazione luminosa.

Nel 1900, Max Planck stava lavorando sul problema di come la radiazione emessa da un oggetto è legata alla sua temperatura. Ottenne una formula che era in buonissimo accordo con i dati sperimentali; la formula però aveva senso solo se si accettava che l'energia di una molecola oscillante fosse quantizzata cioè, che potesse assumere solo determinati valori. L'energia avrebbe dovuto essere proporzionale alla frequenza di oscillazione, e risultava propagarsi in piccoli "pacchetti", multipli del prodotto della frequenza per una certa costante. Questa costante divenne nota come costante di Planck, o h, ed ha il valore di

 

Einstein suppose non solo (come aveva fatto Planck) che gli scambi di energia tra la radiazione e la materia avvengono in modo quantistico, ma che la radiazione stessa sia composta da quanti (i fotoni) di energia proporzionale alla frequenza. In altre parole la luce è costituita da “pacchetti di energia”, detti fotoni, con energia data da

 

 

dove h è la costante di Planck
e n è la frequenza della radiazione.

 

L’effetto fotoelettrico, in questa interpretazione, avviene per cessione (immediata) di quanti di energia dipendenti solo dalla frequenza (interazione elettrone-fotone).

 

 

 

 

 

 

L’energia massima acquistata da un fotoelettrone si può scrivere come

con

dove w0 è il “lavoro d’estrazione” del metallo (energia per strappare l’elettrone) che non dipendono dall’intensità della radiazione ma solo dalla sua frequenza, vmax rappresenta la velocità massima con cui vengono espulsi gli elettroni; ν rappresenta la frequenza e  ν0 rappresenta la frequenza minima (soglia fotoelettrica) che deve possedere la radiazione per estrarre un elettrone dal metallo.

Secondo la teoria quantistica, dunque, un raggio luminoso non consiste di onde che si propagano, ma di proiettili di luce, i fotoni.   Un raggio luminoso monocromatico, ovvero di una fissata frequenza (come, ad esempio quello generato da un laser) è composto da un flusso di fotoni identici che trasportano ognuno un’energia proporzionale alla frequenza della radiazione. 

In questo schema, aumentare l’intensità del fascio luminoso equivale ad aumentarne il numero di fotoni, i quali, tuttavia, mantengono singolarmente la stessa energia.  

L’effetto fotoelettrico viene così a spiegarsi naturalmente. Infatti ogni elettrone viene scalzato in seguito all’urto con un singolo fotone che gli trasmette una ben determinata energia.  Un aumento dell’intensità luminosa produce un aumento di fotoni e quindi di urti, ognuno dei quali, però, comunica sempre la stessa energia all’elettrone.
Il concetto di fotone si rivelò molto profondo e proficuo.

La teoria quantistica della luce riuscì a riprodurre tutti i fenomeni precedentemente descritti dalla teoria ondulatoria, ed ad Einstein fu assegnato il premio Nobel per la sua interpretazione dell’effetto fotoelettrico (e non per la sua Teoria della Relatività, come si potrebbe credere). 

Tuttavia esistono fenomeni di interferenza tra raggi luminosi più facilmente interpretabili con la teoria ondulatoria, "complementari", per così dire, all’effetto fotoelettrico che è descrivibile solo in termini di fotoni.  Questa complementarità della luce, metà onda e metà particella, è una delle tante bizzarrie della meccanica quantistica con cui i fisici hanno imparato a convivere.
Nel corso della prima metà del nostro secolo la fisica quantistica ha modificato radicalmente le precedenti concezioni sulla materia e sulla radiazione, attribuendo alla prima insospettate proprietà ondulatorie e alla seconda nuove proprietà corpuscolari.

LA CELLA FOTOELETTRICA

Funzionamento

E' un dispositivo elettronico, detto anche fotocellula, basato sull'effetto fotoelettrico per la rilevazione della luce e della sua intensità. Quando il catodo K, carico negativamente, viene illuminato dalla radiazione lumonosa L, emette elettroni, che sono attratti dall'anodo A, carico positivamente.

 In questo modo si crea all'interno del circuito, in cui è inserita la cellula fotoelettrica, una corrente elettrica, la cui intensità è proporzionale all'intensità dell'illuminazione. Se qualcosa (un oggetto, una persona) si interpone tra la sorgente luminosa e il catodo, quest'ultimo non emette più elettroni e la corrente si interrompe.

La prima cellula fotoelettrica fu costruita da Elster e Geitel nel 1910

 

Fonte: http://www.andreazucchini.eu/Scuola/Anno_2004_2005/4G/EffettoFotoelettrico.doc

Sito web da visitare: http://www.andreazucchini.eu/

Autore del testo: non indicato nel documento di origine

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Spettro delle onde elettromagnetiche – effetto fotoelettrico -

 

L’energia trasportata da un’onda elettromagnetica  è data dalla relazione  rappresenta la frequenza dell’onda elettromagnetica.

Il fenomeno fisico alla base del funzionamento delle celle fotovoltaiche è l’effetto fotoelettrico scoperto da Hertz ma spiegato da Einstein nel 1905 utilizzando l’ipotesi dei quanti di Plank.
Si tratta dell’emissione di elettroni da parte di una superficie metallica quando questa viene colpita da una “adeguata” radiazione elettromagnetica.

 

 

 

 

L’effetto fotoelettrico può essere spiegato in questo modo: un quanto di luce viene assorbito da un elettrone del metallo solo se l’energia del fotone  è superione all’energia di estrazione W. L’aumento dell’intensità della radiazione (ossia il numero di fotoni) provoca semplicemente l’aumento del numero di elettroni estratti.

Al di sotto di una certa frequenza di soglia, che dipende dal metallo, la radiazione non riesce ad estrarre elettroni

L’energia degli elettroni estratti non dipende dall’intensità  ma soltanto dalla frequenza della radiazione incidente. All’aumentare della frequenza aumenta l’energia degli elettroni estratti .  dove W rappresenta l’energia di estrazione  - che dipende dal metallo-

L’aumento dell’intensità della radiazione incidente provoca solamente un aumento del flusso di elettroni ma non la loro energia.

 

La conversione diretta dell'energia solare in energia elettrica, realizzata con la cella fotovoltaica, utilizza il fenomeno fisico dell'interazione della radiazione luminosa con gli elettroni di valenza nei materiali semiconduttori, denominato effetto fotovoltaico. Qualunque sia il materiale impiegato, il meccanismo con cui la cella trasforma la luce solare in energia elettrica è essenzialmente lo stesso. Consideriamo per semplicità il caso di una convenzionale cella fotovoltaica di silicio cristallino. L'atomo di silicio possiede 14 elettroni, quattro dei quali sono elettroni di valenza, che quindi possono partecipare alle interazioni con altri atomi, sia di silicio sia di altri elementi. In un cristallo di silicio puro ogni atomo è legato in modo covalente ad altri quattro atomi quindi due atomi affiancati di un cristallo di silicio puro hanno in comune una coppia di elettroni, uno dei quali appartenente all'atomo considerato e l'altro appartenente all'atomo vicino. Esiste quindi un forte legame elettrostatico fra un elettrone e i due atomi che esso contribuisce a tenere uniti.
Questo legame elettrostatico può essere spezzato con una quantità di energia che permetta ad un elettrone di passare ad un livello energetico superiore, cioè dalla banda di valenza alla banda di conduzione, superando la banda proibita: se l'energia fornita è sufficiente - per l'atomo di silicio   1.08 eV (eV significa elettronvolt, 1 eV = 1.602 * 10-19 J), un valore intermedio tra quello dei conduttori e quello degli isolanti - l'elettrone viene portato ad un livello energetico superiore (banda di conduzione), dove è libero di spostarsi, contribuendo così al flusso di elettricità. Quando passa alla banda di conduzione, l'elettrone si lascia dietro una  buca, cioè una lacuna dove manca un elettrone. Un elettrone vicino può andare facilmente a riempire la lacuna, scambiandosi così di posto con essa. Quando un flusso luminoso investe il reticolo cristallino del silicio, si ha la liberazione di un certo numero di elettroni al quale corrisponde un egual numero di lacune. Nel processo di ricombinazione ogni elettrone che capita in prossimità di una lacuna la può occupare, restituendo una parte dell'energia cinetica che possedeva sotto forma di calore. Per sfruttare l’elettricità è necessario creare un moto coerente di elettroni (e di lacune), ovvero una corrente elettrica, mediante un campo elettrico interno alla cella. Il campo si realizza con particolari trattamenti fisici e chimici, creando un eccesso di atomi caricati positivamente in una parte del semiconduttore ed un eccesso di atomi caricati negativamente nell’altro. In pratica è necessario introdurre nel silicio una piccola quantità di atomi appartenenti al terzo o al quinto gruppo del sistema periodico degli elementi, in modo da ottenere due strutture differenti, una con un numero di elettroni insufficiente, l'altra con un numero di elettroni eccessivo. Questo trattamento viene detto drogaggio e la quantità delle impurità introdotte è dell'ordine di una parte per milione. Generalmente si utilizzano il boro (terzo gruppo) ed il fosforo (quinto gruppo) per ottenere rispettivamente una struttura di tipo p (con un eccesso di lacune) ed una di tipo n (con un eccesso di elettroni).
Nello strato drogato con fosforo, che ha cinque elettroni esterni o di valenza contro i quattro del silicio, è presente una carica negativa debolmente legata, composta da un elettrone per ogni atomo di fosforo. Analogamente, nello strato drogato con boro, che ha tre elettroni esterni, si determina una carica positiva in eccesso, composta dalle lacune presenti negli atomi di boro quando si legano al silicio. Il primo strato, a carica negativa, si indica con n, l'altro, a carica positiva, con p, la zona di separazione è detta giunzione p-n. In entrambi i casi il materiale risulta elettricamente neutro; tuttavia, ponendo a contatto i due tipi di strutture, tra i due strati si attiva un flusso elettronico dalla zona n alla zona p che, raggiunto il punto di equilibrio elettrostatico, determina un eccesso di carica positiva nella zona n, dovuto agli atomi di fosforo con un elettrone in meno, e un eccesso di carica negativa nella zona p, dovuto agli elettroni migrati dalla zona n. In altri termini gli elettroni presenti nel silicio tipo n diffondono per un breve tratto nel silicio tipo p: il silicio tipo n si carica positivamente, quello di tipo p si carica negativamente e si crea inoltre una regione intermedia detta zona di svuotamento o di carica spaziale. Il risultato è un campo elettrico interno al dispositivo dell’ampiezza di pochi micrometri. Illuminando la giunzione p-n dalla parte del silicio tipo n, si generano delle coppie elettrone-lacuna in entrambe le zone n e p. Il campo elettrico separa gli elettroni in eccesso generati dall’assorbimento della luce dalle rispettive lacune, spingendoli in direzioni opposte (gli elettroni verso la zona n e le lacune verso la zona p). Una volta attraversato il campo, gli elettroni liberi non tornano più indietro, perché il campo, agendo come un diodo, impedisce loro di invertire la marcia. (Un diodo è un dispositivo in cui il passaggio di corrente è ostacolato in una direzione e facilitato in quella opposta). Quindi, se si connette la giunzione p-n con un conduttore, nel circuito esterno si otterrà un flusso di elettroni che parte dallo strato n, a potenziale maggiore, verso lo strato p, a potenziale minore. Fino a quando la cella resta esposta alla luce, l'elettricità fluisce con regolarità sotto forma di corrente continua. E' importante che lo spessore dello strato n sia tale da garantire il massimo assorbimento di fotoni incidenti in vicinanza della giunzione. Per il silicio questo spessore deve essere di 0,5 mm, mentre lo spessore totale della cella non deve superare i 250 mm. In sintesi la conversione da luce a energia elettrica effettuata dalla cella fotovoltaica avviene essenzialmente perché questi portatori di carica liberi (elettroni e lacune), generati dalla luce, sono spinti in direzioni opposte dal campo elettrico interno creato attraverso la giunzione di due semiconduttori drogati in modo diverso.
Di tutta l'energia che investe la cella solare sotto forma di radiazione luminosa, solo una parte viene convertita in energia elettrica disponibile ai suoi morsetti. L'efficienza di conversione per celle commerciali al silicio è in genere compresa tra il 13 % e il 17%, mentre realizzazioni speciali di laboratorio hanno raggiunto valori del 32,5%.

 

I motivi di tale bassa efficienza sono molteplici e possono essere raggruppati in quattro categorie:

  • riflessione: non tutti i fotoni che incidono sulla cella penetrano al suo interno, dato che in parte vengono riflessi dalla superficie della cella e in parte incidono sulla griglia metallica dei contatti;
  • fotoni troppo o poco energetici: per rompere il legame tra elettrone e nucleo è necessaria una certa energia, e non tutti i fotoni incidenti possiedono energia sufficiente. D'altra parte alcuni fotoni troppo energetici generano coppie elettrone-lacuna, dissipando in calore l'energia eccedente quella necessaria a staccare l'elettrone dal nucleo.
  • ricombinazione: non tutte le coppie elettrone-lacuna generate vengono raccolte dal campo elettrico di giunzione e inviate al carico esterno, dato che nel percorso dal punto di generazione verso la giunzione possono incontrare cariche di segno opposto e quindi ricombinarsi;
  • resistenze parassite: le cariche generate e raccolte nella zona di svuotamento devono essere inviate all'esterno. L'operazione di raccolta viene effettuata dai contatti metallici, posti sul fronte e sul retro della cella. Anche se durante la fabbricazione viene effettuato un processo di lega tra silicio e alluminio dei contatti, resta una certa resistenza all'interfaccia, che provoca una dissipazione che riduce la potenza trasferita al carico. Nel caso di celle al silicio policristallino, l'efficienza è ulteriormente diminuita a causa della resistenza che gli elettroni incontrano ai confini tra un grano e l'altro e, ancor più nel caso di celle al silicio amorfo, per la resistenza dovuta all'orientamento casuale dei singoli atomi.

 

 

Fonte: Fonte: http://bovara.altervista.org/lezioni/effetto_fotoelettrico.doc

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