Interazione radiazione-materia:
l’effetto fotoelettrico
luce incidente
collettore
emettitore
vuoto
La storia
elettroni che arrivano al collettore
Nel 1899, Thomson capi` che se racchiudeva una superficie metallica in un tubo a vuoto e la esponeva
alla luce ultravioletta alcuni elettroni venivano estratti dalla superficie colpita dalla luce esattamente
come accadeva se all’interno del tubo veniva creato un forte campo elettrico.
Gli scienziati dell’epoca si chiesero come sarebbero variati il numero e la velocita` degli elettroni in
funzione dell’intensita` e del colore della luce incidente. Ci si aspettava che un fascio di luce piu`
intenso avrebbe “scrollato” piu` violentemente gli elettroni del metallo estraendone in media di piu`
e piu` veloci. Aumentare la frequenza della radiazione elettromagnetica (e quindi variare il colore
della luce) avrebbe fatto oscillare gli elettroni piu` velocemente facendoli uscire prima dalla
superficie del metallo. Con una luce molto fioca gli elettroni avrebbero impiegato molto tempo per
raggiungere un’ampiezza di vibrazione tale da poter uscire dalla superficie del metallo.
Nel 1902, Lenard studio` come l’energia dei fotoelettroni emessi nel tubo catodico variasse con
l’intensita` della luce. Aveva a disposizione una sorgente luminosa di cui poteva aumentare
l’intensita` fino a 1000 volte. Gli elettroni emessi venivano raccolti da uno strumento che poteva
misurare la loro energia in funzione di una certa intensita` luminosa. Lenard scopri` che l’energia
degli elettroni non dipendeva dall’intensita` della luce, contrariamente a quanto si sarebbe
immaginato all’epoca. Da essa dipendeva pero` il numero di elettroni emessi.
Lenard fece un altro tentativo. Separo` le varie componenti di frequenza diversa e provo` a ripetere
l’esperimento usando volta per volta luce di colore diverso. Scopri` che l’energia massima che
potevano avere gli elettroni dipendeva dal colore: a lunghezze d’onda minori, cioe` frequenze
maggiori, corrispondevano elettroni emessi con maggiore energia.
"A splendid light has dawned on me..."
- Albert Einstein
L’idea di Einstein
Nel 1905 un giovane e sconosciuto Albert Einstein diede un’interpretazione molto semplice dei risultati di Lenard. Egli
assunse semplicemente che la radiazione incidente dovesse essere vista come pacchetti (“quanti”) di energia
hf, dove f e` la frequenza e h e` una costante (costante di Planck). Nella fotoemissione, uno di questi quanti di
energia viene assorbito da un elettrone. Se questo elettrone si trova dentro il metallo ad una certa distanza dalla
superficie un po’ di energia verra` persa lungo lo spostamento. L’energia minima necessaria ad estrarre
l’elettrone viene chiamata “energia di legame” e si indica con W. Gli elettroni piu` energetici saranno quindi
quelli posti sulla superficie ed avranno energia E pari a
E = hf – W
Appare quindi chiaro che se la luce incidente non ha frequenza abbastanza elevata nessun elettrone verra` emesso
perche` nessuno riuscira` ad avere energia superiore a quella di legame.Questo e` completamente indipendente
dall’intensita` della luce stessa.
Grazie a quest’idea Einstein vinse il premio Nobel, e in seguito alla pubblicazione del suo lavoro fu coniato il termine
“fotone” per descrivere le particelle che costituiscono la radiazione elettromagnetica.
Lo spettro
elettromagnetico
Lo spettro elettromagnetico non e`
altro che il nome che gli scienziati
danno all’insieme dei diversi tipi di
radiazioni. La radiazione e` energia
che propaga sotto forma di onde. La
luce visibile emanata da una
lampada o le onde radio e televisive
sono due tipi di onde
elettromagnetiche. Altri esempi di
radiazione EM sono le microonde, i
raggi infrarossi ed ultravioletti, i
raggi X e g.
Radiazione e.m. ad alta energia:
i raggi g
I raggi g sono fotoni molto
energetici, di energia
compresa tra 1 MeV e 10
GeV, cioe` 106 e 109
elettronvolt
Sono prodotti nel decadimento
spontaneo di materiali
radioattivi, come il cobalto60 e il cesio-137. I raggi g
prodotti dal cobalto-60
possono penetrare a fondo
nel corpo umano, quindi
sono stati usati spesso per
curare il cancro con la
radioterapia.
Isotopo
energia di picco
(keV)
abbondanza
relativa
vita media
Co-60
1332.51
1173.23
99.9%
99.8%
5.27 anni
Ba-133
355.86
80.01
302.71
383.7
276.29
62.2%
32.75%
18.6%
8.8%
7.3%
10.4 anni
Cd-109
88.04
3.7%
1.27 anni
Cs-137
661.62
32.19
84.62%
5.8%
30 anni
Mn-54
834.81
99.9%
312.2 giorni
Na-22
1274.54
511.01
99.9%
99.9%
2.6 anni
Zn-65
1115.52
50.75%
244.1 giorni
L’effetto fotoelettrico con i raggi g
elettrone emesso con
energia E=hf-W
raggio g incidente
viene completamente
assorbito dall’atomo



vogliamo misurare lo spettro di energia degli elettroni estratti da un
materiale (NaI-Tl, ioduro di sodio drogato tallio) colpito da un fascio di
raggi g prodotti da una sorgente radioattiva
l’energia di legame degli elettroni piu` interni nello iodio e` di soli 33keV
abbiamo a disposizione sorgenti diverse e possiamo verificare che per
diverse energie dei fotoni emessi, il picco di energia corrispondente
all’effetto fotoelettrico si sposta.
Effetto Compton
raggio g incidente non
viene completamente
assorbito dall’atomo
elettrone emesso
con energia
variabile
raggio g diffuso nella
collisione


La cinematica dell’urto e’ simile a quella di due
corpi puntiformi
L’energia dell’elettrone emesso varia in
funzione dell’angolo di diffusione
apparato sperimentale
fotomoltiplicatore
rivelatore
Schema del circuito di acquisizione dati
ADC
137Cs
NaI-Tl
MCA
PM
Amplificatore






I raggi g vengono convertiti in un e- nello scintillatore
I fotoni di scintillazione sono proporzionali all’energia dell’eI fotoni vengono convertiti in e- e moltiplicati nel PM
Il segnale di corrente viene amplificato
e la sua ampiezza viene misurata dall’ADC
L’MCA conta quanti eventi hanno la stessa ampiezza e li organizza in
un istogramma



L’energia dell’elettrone liberato
nell’effetto fotoelettrico e`
monoenergetico
L’energia dell’elettrone diffuso
per effetto Compton varia da 0
a un massimo (Compton edge)
che dipende dall’energia del g
incidente
Gli altri picchi sono dovuti alla
presenza del materiale di cui
e` fatto l’involucro del
rivelatore
conteggi
Lo spettro
picco del
fotoelettrico
energia