La luce è una particella! L’effetto fotoelettrico

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Nell’autunno del 1895, un ventiseienne ebreo-tedesco del Wurttemberg, Germania, si presentò all’esame di ammissione del Politecnico di Zurigo, ma uno dei professori in commissione gli disse: “Signor Einstein, non credo che lei sia portato per la ricerca”. Fu così che Albert Einstein, cominciò a lavorare come impiegato presso l’ufficio brevetti di Berna, finché, nel suo annus mirabilis, il 1905, diede la sua rivoluzionaria interpretazione dell’effetto fotoelettrico, che avrebbe aperto le porte alla Meccanica Quantistica.
L’effetto fotoelettrico era noto agli scienziati già dal 1887, quando, con ironia della sorte, Heinrich Hertz, stava eseguendo esperimenti per dimostrare la natura ondulatoria della radiazione elettromagnetica. L’apparato sperimentale consisteva di due elettrodi tra i quali vi era applicata un’elevata differenza di potenziale, che, provocando una scarica, induceva una forza elettromotrice nella spira costituente il circuito ricevente: interponendo dei filtri tra i due circuiti si osservava l’intensità della scintilla prodotta dalla scarica. Così Hertz notò che “La luce ultravioletta facilita l’aumento della lunghezza della scintilla in un apparato ad induzione [… ]", e, limitandosi ad osservarne il fenomeno, affermò poi, che“Un fenomeno così notevole richiedeva una ulteriore indagine”. Nel 1899, J.J. Thompson, misurando il rapporto tra carica e massa della radiazione prodotta, concluse che l’effetto fotoelettrico consiste nell’emissione di elettroni da parte di un metallo, quando su di esso vi incide una luce di opportuna frequenza.

Nei successivi 20 anni numerosi scienziati dedicarono i loro studi a questo fenomeno, senza, tuttavia, trovare una spiegazione che non mettesse in discussione le teorie dell’elettromagnetismo di Maxwell, che insieme alle leggi di Newton, costituivano i capisaldi della cosiddetta Fisica Classica. Quando nel 1905 Einstein propose la sua soluzione al fenomeno, egli si trovava di fronte a tre evidenze sperimentali: la corrente aumenta con l’intensità della radiazione incidente; al di sotto di una certa frequenza il fenomeno non avviene; l’energia cinetica dei fotoelettroni non dipende dal potenziale, ma dalla frequenza della radiazione incidente. Spiegare tali risultati interpretando la propagazione della radiazione elettromagnetica secondo un modello ondulatorio porta solo a conclusioni in conflitto con la teoria di Maxwell.

Infatti non esiste alcuna relazione tra l‘energia di un’onda elettromagnetica e la frequenza della radiazione incidente; non è contemplato il concetto di soglia, al di sotto della quale un fenomeno non può avvenire; aumentando la differenza di potenziale applicata tra i due elettrodi, l’intensità della radiazione dovrebbe aumentare insieme col potenziale, in disaccordo coi dati sperimentali, in base ai quali, il flusso di fotoelettroni ad un certo punto satura. Einstein avanzò che “[…] le osservazioni sulla […] generazione o trasformazione della luce appaiano più comprensibili nell’ipotesi di una distribuzione spaziale discontinua dell’energia luminosa […]”secondo questa teoria “ l’energia consiste in un numero finito di quanti di energia (o fotoni), localizzati in punti dello spazio, i quali si muovono senza dividersi e possono essere assorbiti e generati solo nella loro interezza […]”. Questa interpretazione corpuscolare della radiazione permette di risolvere il problema della saturazione dei fotoelettroni; infatti, essi interagendo biunivocamente, con i fotoni, saturano il numero di elettroni di conduzione dell’elettrodo, poiché aumentando l’intensità della radiazione UV, aumenta il numero di fotoni e quindi di fotoelettroni “estratti”. Infatti è proprio introducendo il concetto di potenziale di legame, che Einstein risolve il problema della frequenza di soglia, affermando che la radiazione incidente deve compiere lavoro per estrarre l’elettrone dal metallo, pertanto se l’energia della radiazione non è maggiore o uguale a quella che tiene l’elettrone nel metallo, l’effetto non avviene. Infine, Einstein ipotizzò l’energia della radiazione come un multiplo intero della frequenza E= nhν. Nel 1916 Millikan effettuò un esperimento che permise di ricavare la costante di proporzionalità h=6.62*10^-34 J*s, poi denominata costante di Planck e rappresenta, ad oggi una delle costanti fondamentali della Fisica.