L’effetto fotoelettrico e le sue
applicazioni in fisica dell’Atmosfera
fotone
e-
L’effetto fotoelettrico
Il giovane Einstein pubblicò sugli Annalen der Physik un
articolo intitolato Su un punto di vista euristico riguardo
all'emissione e trasformazione della luce, come contributo
alla nascita della fisica quantistica.
"Se la radiazione monocromatica, di densità
sufficientemente bassa si comporta …[da un punto di
vista termodinamico]…come un mezzo discontinuo
consistente di quanti di energia, è plausibile investigare
se le leggi sull'emissione e trasformazione della luce
siano anch'esse compatibili con la supposizione che la
luce consista di siffatti quanti di energia".
L’effetto fotoelettrico
La teoria corpuscolare della luce era stata abbandonata
nell'Ottocento a causa di tutte le prove che fino ad allora erano
state accumulate a favore della teoria ondulatoria e della sua
adeguatezza a spiegare fenomeni fisici quali riflessione,
rifrazione, interferenza, diffrazione, dispersione, ecc.
.
Egli esamina tre fenomeni:
•la fotoluminescenza
•la ionizzazione dei gas da parte di luce ultravioletta
•l'emissione dei raggi catodici da solidi irraggiati (effetto
fotoelettrico)
Einstein dimostra come la sua ipotesi (la luce puo’ essere
modellata da un insieme di quanti di luce che si comportano
come le particelle di un gas) è capace di spiegare i
comportamenti osservati e prevedere altri comportamenti
verificabili in seguito con l'esperienza.
L’effetto fotoelettrico
In particolare, l'effetto fotoelettrico, è quello
che ha avuto la maggior importanza storica e
che valse ad Einstein, nel 1921, il premio Nobel
per la fisica.
L’effetto fotoelettrico
Energia crescente
L’effetto fotoelettrico è alla
base del funzionamento dei
CCD
(Charge
Coupled
Banda di conduzione
Devices). Gli elettroni negli
1.26eV
atomi di silicio si trovano in
livelli quantizzati di energia. Il
Banda di valenza
livello di energia più bassa si
buca
elettrone
chiama banda di valenza,
mentre il livello più alto si
chiama banda di conduzione.
Una volta che l’elettrone raggiunge la banda di conduzione è libero di muoversi nel silicio.
L’elettrone lascia nello strato di valenza una “buca” che agisce come portatore di carica positiva.
In assenza di un campo elettrico esterno l’elettrone e la buca si ricombinano rapidamente. Nei
CCD si introduce un campo elettrico esterno in modo da prevenire la ricombinazione.
L’effetto fotoelettrico
I CCD (Charge Coupled Devices) sono stati inventati negli anni ’70. I CCD convertono i fotoni in cariche
elettriche all’interno di uno strato di silicio. Queste cariche vengono misurate, digitalizzate e salvate in un
file immagine su un computer.
Area dell’immagine
Supporto di ceramica, metallo o plastica
Connettori
Connessioni
Piedini
Registro seriale
Strato di silicio
Amplificatore
L’effetto fotoelettrico
PIOGGIA (FOTONI)
SECCHI (PIXEL)
NASTRI
TRASPORTATORI
VERTICALI
(COLONNE DEI
CCD)
I secchi raccolgono la
pioggia (durante la posa
i pixel raccolgono i
fotoni)
CONTENITORE GRADUATO
(AMPLIFICATORE IN USCITA)
NASTRO TRASPORTATORE
ORIZZONTALE
(REGISTRO SERIALE)
La distribuzione di fotoni che
costituisce una immagine viene
convertita in una distribuzione di
cariche elettriche sul CCD. Al
termine dell’esposizione le cariche
sono trasferite pixel per pixel
grazie al registro seriale fino
all’amplificatore. I collegamenti
elettrici sono fatti tramite piedini e
connessioni posizionati sui bordi
del CCD.
L’effetto fotoelettrico
Al termine i secchi contengono una
certa quantità di acqua (al termine
della posa i pixel contengono una
certa quantità di carica)
La distribuzione di fotoni che
costituisce una immagine viene
convertita in una distribuzione di
cariche elettriche sul CCD. Al
termine dell’esposizione le cariche
sono trasferite pixel per pixel
grazie al registro seriale fino
all’amplificatore. I collegamenti
elettrici sono fatti tramite piedini e
connessioni posizionati sui bordi
del CCD.
L’effetto fotoelettrico
I nastri trasportatori entrano in funzione e spostano i secchi.
La prima fila di secchi sui nastri verticali viene spostata sul
nastro orizzontale.
La distribuzione di fotoni che
costituisce una immagine viene
convertita in una distribuzione di
cariche elettriche sul CCD. Al
termine dell’esposizione le cariche
sono trasferite pixel per pixel
grazie al registro seriale fino
all’amplificatore. I collegamenti
elettrici sono fatti tramite piedini e
connessioni posizionati sui bordi
del CCD.
L’effetto fotoelettrico
I nastri verticali si fermano. Il
nastro orizzontale travasa il
contenuto del primo secchio nel
contenitore graduato.
La distribuzione di fotoni che
costituisce una immagine viene
convertita in una distribuzione di
cariche elettriche sul CCD. Al
termine dell’esposizione le cariche
sono trasferite pixel per pixel
grazie al registro seriale fino
all’amplificatore. I collegamenti
elettrici sono fatti tramite piedini e
connessioni posizionati sui bordi
del CCD.
L’effetto fotoelettrico
Il contenuto di pioggia del primo secchio viene misurato. Il
contenitore viene svuotato ed è pronto a ricevere la pioggia
contenuta nel secondo secchio. La procedura è ripetuta per tutti
i secchi della fila.
`
La distribuzione di fotoni che
costituisce una immagine viene
convertita in una distribuzione di
cariche elettriche sul CCD. Al
termine dell’esposizione le cariche
sono trasferite pixel per pixel
grazie al registro seriale fino
all’amplificatore. I collegamenti
elettrici sono fatti tramite piedini e
connessioni posizionati sui bordi
del CCD.
L’effetto fotoelettrico
La distribuzione di fotoni che
costituisce una immagine viene
convertita in una distribuzione di
cariche elettriche sul CCD. Al
termine dell’esposizione le cariche
sono trasferite pixel per pixel
grazie al registro seriale fino
all’amplificatore. I collegamenti
elettrici sono fatti tramite piedini e
connessioni posizionati sui bordi
del CCD.
L’effetto fotoelettrico
La distribuzione di fotoni che
costituisce una immagine viene
convertita in una distribuzione di
cariche elettriche sul CCD. Al
termine dell’esposizione le cariche
sono trasferite pixel per pixel
grazie al registro seriale fino
all’amplificatore. I collegamenti
elettrici sono fatti tramite piedini e
connessioni posizionati sui bordi
del CCD.
L’effetto fotoelettrico
La distribuzione di fotoni che
costituisce una immagine viene
convertita in una distribuzione di
cariche elettriche sul CCD. Al
termine dell’esposizione le cariche
sono trasferite pixel per pixel
grazie al registro seriale fino
all’amplificatore. I collegamenti
elettrici sono fatti tramite piedini e
connessioni posizionati sui bordi
del CCD.
L’effetto fotoelettrico
La distribuzione di fotoni che
costituisce una immagine viene
convertita in una distribuzione di
cariche elettriche sul CCD. Al
termine dell’esposizione le cariche
sono trasferite pixel per pixel
grazie al registro seriale fino
all’amplificatore. I collegamenti
elettrici sono fatti tramite piedini e
connessioni posizionati sui bordi
del CCD.
L’effetto fotoelettrico
Una nuova fila di secchi viene
spostata sul nastro orizzontale e la
procedura di misura è ripetura per
tutte le file di secchi.
La distribuzione di fotoni che
costituisce una immagine viene
convertita in una distribuzione di
cariche elettriche sul CCD. Al
termine dell’esposizione le cariche
sono trasferite pixel per pixel
grazie al registro seriale fino
all’amplificatore. I collegamenti
elettrici sono fatti tramite piedini e
connessioni posizionati sui bordi
del CCD.
L’effetto fotoelettrico
La distribuzione di fotoni che
costituisce una immagine viene
convertita in una distribuzione di
cariche elettriche sul CCD. Al
termine dell’esposizione le cariche
sono trasferite pixel per pixel
grazie al registro seriale fino
all’amplificatore. I collegamenti
elettrici sono fatti tramite piedini e
connessioni posizionati sui bordi
del CCD.
L’effetto fotoelettrico
La distribuzione di fotoni che
costituisce una immagine viene
convertita in una distribuzione di
cariche elettriche sul CCD. Al
termine dell’esposizione le cariche
sono trasferite pixel per pixel
grazie al registro seriale fino
all’amplificatore. I collegamenti
elettrici sono fatti tramite piedini e
connessioni posizionati sui bordi
del CCD.
L’effetto fotoelettrico
La distribuzione di fotoni che
costituisce una immagine viene
convertita in una distribuzione di
cariche elettriche sul CCD. Al
termine dell’esposizione le cariche
sono trasferite pixel per pixel
grazie al registro seriale fino
all’amplificatore. I collegamenti
elettrici sono fatti tramite piedini e
connessioni posizionati sui bordi
del CCD.
L’effetto fotoelettrico
La distribuzione di fotoni che
costituisce una immagine viene
convertita in una distribuzione di
cariche elettriche sul CCD. Al
termine dell’esposizione le cariche
sono trasferite pixel per pixel
grazie al registro seriale fino
all’amplificatore. I collegamenti
elettrici sono fatti tramite piedini e
connessioni posizionati sui bordi
del CCD.
L’effetto fotoelettrico
La distribuzione di fotoni che
costituisce una immagine viene
convertita in una distribuzione di
cariche elettriche sul CCD. Al
termine dell’esposizione le cariche
sono trasferite pixel per pixel
grazie al registro seriale fino
all’amplificatore. I collegamenti
elettrici sono fatti tramite piedini e
connessioni posizionati sui bordi
del CCD.
L’effetto fotoelettrico
La distribuzione di fotoni che
costituisce una immagine viene
convertita in una distribuzione di
cariche elettriche sul CCD. Al
termine dell’esposizione le cariche
sono trasferite pixel per pixel
grazie al registro seriale fino
all’amplificatore. I collegamenti
elettrici sono fatti tramite piedini e
connessioni posizionati sui bordi
del CCD.
L’effetto fotoelettrico
La distribuzione di fotoni che
costituisce una immagine viene
convertita in una distribuzione di
cariche elettriche sul CCD. Al
termine dell’esposizione le cariche
sono trasferite pixel per pixel
grazie al registro seriale fino
all’amplificatore. I collegamenti
elettrici sono fatti tramite piedini e
connessioni posizionati sui bordi
del CCD.
L’effetto fotoelettrico
La distribuzione di fotoni che
costituisce una immagine viene
convertita in una distribuzione di
cariche elettriche sul CCD. Al
termine dell’esposizione le cariche
sono trasferite pixel per pixel
grazie al registro seriale fino
all’amplificatore. I collegamenti
elettrici sono fatti tramite piedini e
connessioni posizionati sui bordi
del CCD.
L’effetto fotoelettrico
La distribuzione di fotoni che
costituisce una immagine viene
convertita in una distribuzione di
cariche elettriche sul CCD. Al
termine dell’esposizione le cariche
sono trasferite pixel per pixel
grazie al registro seriale fino
all’amplificatore. I collegamenti
elettrici sono fatti tramite piedini e
connessioni posizionati sui bordi
del CCD.
L’effetto fotoelettrico
La distribuzione di fotoni che
costituisce una immagine viene
convertita in una distribuzione di
cariche elettriche sul CCD. Al
termine dell’esposizione le cariche
sono trasferite pixel per pixel
grazie al registro seriale fino
all’amplificatore. I collegamenti
elettrici sono fatti tramite piedini e
connessioni posizionati sui bordi
del CCD.
L’effetto fotoelettrico
La distribuzione di fotoni che
costituisce una immagine viene
convertita in una distribuzione di
cariche elettriche sul CCD. Al
termine dell’esposizione le cariche
sono trasferite pixel per pixel
grazie al registro seriale fino
all’amplificatore. I collegamenti
elettrici sono fatti tramite piedini e
connessioni posizionati sui bordi
del CCD.
L’effetto fotoelettrico
La lettura del CCD è completa quando il
contenuto di tutti i secchi è stato misurato.
La distribuzione di fotoni che
costituisce una immagine viene
convertita in una distribuzione di
cariche elettriche sul CCD. Al
termine dell’esposizione le cariche
sono trasferite pixel per pixel
grazie al registro seriale fino
all’amplificatore. I collegamenti
elettrici sono fatti tramite piedini e
connessioni posizionati sui bordi
del CCD.
e le sue
applicazioni in fisica dell’Atmosfera
Spettrometro GASCOD
All’ISAC-CNR di Bologna, il
CCD è usato come elemento
“sensibile” di uno spettrometro
UV-Vis (GASCOD, Gas
Analyzer Sepctrometer
Correlating Optical Differences)
per la misura della radiazione
solare in Atmosfera. Da queste
misure, tramite metodi di calcolo
(DOAS, Differential Optical
Absorption Spectroscopy) e
modelli di trasferimento radiativo
(RTM) è possibile ricavare le
concentrazioni di numerosi gas in
atmosfera
e le sue
applicazioni in fisica dell’Atmosfera
L’atmosfera terrestre è un sistema
complesso risultato di un equilibrio
raggiunto dopo milioni di anni tra la
massa e l’energia proveniente dal
suolo e dalle acque e l’energia
irradiata dal sole (figura 1). Solo
nelle ultime decine di anni l’uomo è
intervenuto pesantemente ad alterare
questo equilibrio con emissioni di gas
e materiale particolato i cui effetti
sono ancora in fase di studio.
Figura 1
e le sue
applicazioni in fisica dell’Atmosfera
L’energia emessa dal sole è
suddivisa in diverse componenti
(spettro) identificate da diverse
lunghezze d’onda (o frequenze)
(figura 2). La parte visibile è quella
che riesce a percepire il nostro
occhio (dal violetto 400 nm al rosso
700 nm), ma c’è molta altra energia
che il sole immette in atmosfera
senza che sia “vista” dall’occhio.
Figura 2
Sole
e le sue
applicazioni in fisica dell’Atmosfera
Atmosfera
GASCOD
Figura 3
NO2
SO2
O3
L’energia emessa dal sole interagisce con l’atmosfera
terrestre attraverso i processi di assorbimento e
diffusione da parte del materiale (gas e particelle) che
compone l’atmosfera stessa. Noi misuriamo lo spettro
energetico dopo l’interazione con uno spettrometro
chiamato GASCOD (Gas Analyzer Spectrometer
Correlating Optical Differences) (Figura 3). Lo
spettrometro ha un principio di funzionamento simile a
quello di un prisma che disperde la luce bianca in
ingresso. Nel GASCOD il prisma è sostituito da un
reticolo olografico.
e le sue
applicazioni in fisica dell’Atmosfera
Ogni gas ha una sua struttura tipica di
assorbimento (Figura 4) dipendente
dalla lunghezza d’onda. Conoscendo
tale impronta è possibile ricavare il
contenuto del gas lungo il cammino
ottico compiuto dalla radiazione
solare
Figura 4
e le sue
applicazioni in fisica dell’Atmosfera
Confrontando lo spettro del sole
fuori dall’atmosfera con quello
misurato in atmosfera, è possibile
riconoscere, quasi come delle
impronte digitali, i gas che hanno
assorbito la radiazione.
Figura 4
e le sue
applicazioni in fisica dell’Atmosfera
La composizione gassosa dell’atmosfera terrestre ha una sua intrinseca
variabilità dovuta a diversi fenomeni tra cui l’alternarsi del giorno e della notte,
il ciclo di attività solare, l’alternarsi delle stagioni e così via. L’obbiettivo che ci
si propone è però quello di studiare anche le perturbazioni introdotte
dall’attività umana.
Per far ciò sono necessarie tecniche di osservazione avanzate e metodologie di
indagine sofisticate che consentano di misurare le quantità interessate (es.
concentrazioni di gas, temperatura, umidità…etc) con sempre maggiore
precisione e accuratezza.
e le sue
applicazioni in fisica dell’Atmosfera
Figura 5
Figura 6
La strumentazione da terra
(figura 5) permette di
misurare la concentrazione
dei gas minori atmosferici e
il loro contenuto colonnare.
Avendo a disposizione dati
prelevati su periodi di
tempo piuttosto lunghi si
possono ricavare serie
storiche di grande interesse
(figura 6, variazione della
concentrazione di NO2 dal
1993 al 2002 al Mt.
Cimone).
e le sue
applicazioni in fisica dell’Atmosfera
Le misure da aereo (figura 7)
sono utilizzate per indagare le
porzioni
più
alte
dell’atmosfera terrestre e per
studiare fenomeni circoscritti
o episodici (figura 8). Non è
possibile
ricavare
serie
storiche da misure di questo
tipo.
Figura 7
Figura 8
e le sue
applicazioni in fisica dell’Atmosfera
Figura 9
Figura 10
Le misure da satellite
(figura
9)
sono
caratterizzate da una
minore
risoluzione
spaziale, ma poiché i
satelliti orbitano attorno
alla terra il loro raggio
d’azione è molto ampio.
Le loro osservazioni
riescono a coprire tutto il
globo terrestre, fornendo
mappe dettagliate della
distribuzione
spaziale
della concentrazione dei
gas (figura 10, NO2).
e le sue
applicazioni in fisica dell’Atmosfera
Istituto di Scienze dell’Atmosfera e del Clima,
ISAC-CNR, via P. Gobetti 101, 40129, Bologna
http://www.isac.cnr.it
Contatti: Gruppo di ricerca sui gas in traccia ed il trasferimento radiativo in
atmosfera, Coordinatore Dr. Giorgio Giovanelli, e-mail [email protected]
http://www.isac.cnr.it/~trasfene
Grazie dell’attenzione