Insegnare fisica/Didattica tradizionale/L'effetto fotoelettrico e il fotone

L'effetto fotoelettrico e il concetto di fotone

Introdurre il quanto di energia passando attraverso la storia del corpo nero sarebbe troppo difficile, e un discorso approssimativo sull'argomento lascia solo disorientati gli studenti. Per affrontare davvero in maniera soddisfacente l'argomento bisogna passare attraverso l' effetto fotoelettrico, di cui la maggior parte del lavoro sperimentale rilevante è dovuto a Philipp Lenard riassunto brevemente al seguente link: L'esperimento di Lenard.

Una volta fornito loro il riassunto e le osservazioni di Lenard, gli studenti dovrebbero essere guidati a porre domande del tipo di quelle che seguono:

1. Disegna traiettorie possibili degli elettroni emessi quando le due piastre distano qualche centimetro o due e quando distano meno di 5 mm. Ripeti questa operazione sia per il caso di differenza di potenziale accelerante che per quella ritardante. Descrivi dei casi di moto dei proiettili che corrispondono ai disegni che hai fatto per il moto degli elettroni.
2. Si dice che la differenza di potenziale tra le due piastre corrisponda all'energia cinetica massima degli elettroni emessi. Spiega con parole tue il ragionamento che motiva questa affermazione. Qual è il caso corrispondente per una pietra che viene lanciata verticalmente verso l'alto? Come mai la massa è presente nell'espressione del caso gravitazionale ed è assente nel caso elettrico?
3. Perché è sorprendente che l'energia cinetica degli elettroni emessi non sia influenzata dall'intensità della luce incidente?
4. Dalla variazione della corrente di saturazione, che cosa sei costretto a concludere circa l’unico effetto della luminosità della luce incidente nel processo che stiamo osservando? Sei in grado, nei termini della fisica che hai imparato finora, di spiegare perché l’intensità della luce incidente determina solo la frequenza con cui vengono emessi gli elettroni, senza avere alcun effetto sulle loro singole energie? (Lenard osserva implicitamente che è molto difficile, se non impossibile, spiegare i fenomeni fotoelettrici nei termini delle teoria classica di Maxwell.)

Bibliografia

• (EN) Arnold B. Arons, Teaching introductory physics, New York, Wiley publication, 1997, pp. Chapter 10, ISBN 0-471-13707-3.