CORSO DI MECCANICA QUANTISTICA: 2 Teoria dei quanti di energia e effetto fotoelettrico

Teoria dei quanti di energia e effetto fotoelettrico

Un problema a cavallo tra Ottocento e Novecento

Alla fine del XIX secolo la fisica sembrava una scienza compiuta: le leggi di Newton, la termodinamica e l’elettromagnetismo di Maxwell davano l’illusione di un quadro completo. Tuttavia, alcuni fenomeni sperimentali cominciarono a incrinare questa sicurezza.

Uno di essi era la radiazione del corpo nero, che la teoria classica prevedeva in modo completamente errato, arrivando addirittura a risultati assurdi, come l’idea che un corpo potesse emettere energia infinita. Un altro enigma ancora più sorprendente era l’effetto fotoelettrico: si osservava che un metallo colpito dalla luce liberava elettroni, ma il comportamento di questi non coincideva affatto con le previsioni della teoria ondulatoria della luce.

Serviva un’idea nuova.

L’intuizione di Planck e il passo oltre di Einstein

Nel 1900 Max Planck propose una soluzione ardita: l’energia non si scambia in modo continuo, ma a piccoli pacchetti indivisibili, chiamati quanti. Questa intuizione, nata per spiegare la radiazione del corpo nero, aprì la porta a una nuova fisica.

Cinque anni dopo, Albert Einstein fece un passo ulteriore. Non si limitò a dire che gli atomi assorbono ed emettono energia a pacchetti, ma suggerì che anche la luce stessa fosse composta da quanti di energia, veri e propri corpuscoli: i fotoni.

Questa ipotesi, rivoluzionaria, permetteva di spiegare il misterioso effetto fotoelettrico.

L’effetto fotoelettrico: i fatti da spiegare

Gli esperimenti mostrarono risultati molto precisi:

• Se la luce ha una frequenza troppo bassa, nessun elettrone viene emesso, qualunque sia l’intensità della radiazione.
• Quando la frequenza è sufficiente, gli elettroni escono immediatamente: non c’è alcun ritardo apprezzabile.
• L’energia degli elettroni dipende dalla frequenza della luce, non dalla sua intensità.
• L’intensità influisce soltanto sul numero di elettroni emessi, non sulla loro energia individuale.

Queste osservazioni contraddicevano completamente la fisica classica, secondo cui bastava aumentare l’intensità della luce per fornire più energia agli elettroni.

La spiegazione di Einstein

Einstein propose un’idea semplice ma rivoluzionaria: ogni fotone porta con sé una quantità di energia legata alla sua frequenza. Quando colpisce un elettrone in un metallo, può trasferirgli questa energia. Una parte serve per liberarlo dal legame che lo trattiene all’interno del materiale; ciò che avanza diventa energia di movimento dell’elettrone appena espulso.

Ecco perché serve una frequenza minima della luce: se l’energia del singolo fotone non basta a vincere il legame, l’elettrone non esce, indipendentemente dall’intensità.

Perché era una rivoluzione

Questa spiegazione cambiò radicalmente il modo di intendere la luce: non più solo un’onda, ma anche un insieme di particelle, i fotoni. L’intensità della radiazione corrisponde al numero di fotoni che arrivano, non all’energia di ciascuno di essi.

Il mondo microscopico non obbediva più alle regole intuitive della fisica classica: la natura mostrava di essere quantizzata, fatta di scambi discreti di energia.

Le conseguenze concettuali

• Dualità onda-particella: la luce mostrava due facce, quella ondulatoria (interferenza, diffrazione) e quella corpuscolare (fotoni, effetto fotoelettrico).
• Quantizzazione delle interazioni: non si poteva più pensare a scambi di energia continui e graduali.
• Nuove prove: pochi anni dopo, l’effetto Compton mostrò che anche i raggi X si comportano come particelle dotate di quantità di moto.

Tutto ciò aprì la strada alla meccanica quantistica, che avrebbe cambiato per sempre la fisica del Novecento.

Dal laboratorio alla tecnologia

L’effetto fotoelettrico non rimase una curiosità da laboratorio. Diede origine a strumenti pratici e diffusissimi:

• Fotocellule e sensori di luce, usati in dispositivi di ogni tipo.
• Celle solari, che trasformano la luce in energia elettrica.
• Spettroscopia fotoelettronica, una tecnica che permette di studiare con precisione l’energia degli elettroni nei materiali.

Un cambio di paradigma

In poche righe di teoria, Einstein aveva mostrato che la luce scambia energia non come un fluido continuo, ma come una pioggia di particelle. Questa intuizione non solo spiegava un enigma sperimentale, ma gettava le fondamenta di una nuova visione della natura.

La fisica classica non bastava più: nasceva la fisica quantistica.