Una storia dell’effetto fotoelettrico e il suo ruolo nel solare fotovoltaico

Le celle solari sono alimentate dalla luce del sole. Sapendo questo, la prima domanda che dovremmo fare è ” cos’è la luce?”seguito da vicino da” come è possibile convertire la luce in elettricità?”A queste domande non è facile rispondere.

Comprendere la natura della luce è stato un compito impegnativo per i secoli di filosofi e scienziati che lavorano su questo argomento. L’ottica è una delle discipline più antiche studiate dagli uomini e il processo di conversione della luce in elettricità è iniziato dall’osservazione casuale.

Lungi dall’essere uno studio formale della fisica quantistica, questo articolo si propone di insegnare scoperte chiave da alcuni degli scienziati e filosofi che hanno dedicato il loro lavoro allo studio della luce e delle sue applicazioni. Pone le basi per capire come le celle solari possono convertire la luce in corrente elettrica.

Nota: I sistemi di unità impiegati in questo articolo sono il Sistema internazionale di unità (SI) e le unità accettate per l’uso con il SI.

Gli inizi della comprensione della luce

La ricerca sulla natura della luce è nota per iniziare nell’antica Grecia, dove filosofi come Platone, Socrate, Aristotele, Pitagora ed Euclide (Ottica) hanno dato opinioni sulla questione. Durante il medioevo nel mondo islamico, scienziati come Abu Ali Mohammed Ibn Al Hasn Ibn Al Haytham, noto ora come Alhazen, hanno lavorato sulle teorie della luce e della visione.

Dal 1600 al 1930, molti scienziati famosi hanno anche fatto passi significativi verso la nostra comprensione di cosa sia la luce e come funzioni. Nel 1672, Isaac Newton affermò che le particelle, non le onde, fanno luce (teoria corpuscolare). Christiaan Huygens, Thomas Young e Augustin-Jean Fresnel credevano che la luce fosse un’onda. James Clerk Maxwell teoricamente predisse l’esistenza di onde elettromagnetiche. Max Planck pensava che i corpi neri emettessero energia in pacchetti discreti, e Albert Einstein sosteneva che la luce arrivasse in fasci di energia.

Dimostrare che la luce si muove in onde

Nel 1678, Christiaan Huygens sviluppò una tecnica utile per definire come e dove le onde luminose si propagano. Il principio di Huygens di luce che passa attraverso una fessura ha contribuito a dimostrare che la luce è un’onda. Tuttavia, a quel tempo, questo principio non era considerato una prova sufficiente a dimostrare che la luce era un’onda, principalmente a causa del disaccordo di Isaac Newton e della sua reputazione tra la società scientifica.

Nel 1801, Thomas Young fece il suo esperimento di interferenza a doppia fenditura. Questo esperimento ha dimostrato che le onde di luce che passano attraverso due fessure si sovrappongono (si aggiungono o si annullano a vicenda) e formano un modello di interferenza. Onde d’acqua, onde sonore e onde di tutti i tipi diversi mostrano questo stesso fenomeno di interferenza. I risultati di questo esperimento hanno dimostrato il carattere ondulatorio della luce.

Nel 1865 James Clerk Maxwell mostrò nella sua pubblicazione Una teoria dinamica del campo elettromagnetico che un fascio di luce è un’onda viaggiante di campi elettrici e magnetici, cioè un’onda elettromagnetica. Confrontando la velocità delle onde con la velocità della luce, misurata da Fizeau e Foucault, ha concluso:

“L’accordo dei risultati sembra mostrare che luce e magnetismo sono affetti della stessa sostanza e che la luce è un disturbo elettromagnetico propagato attraverso il campo, secondo le leggi elettromagnetiche.”

La teoria delle onde di Huygens per la luce era matematicamente meno complicata della teoria elettromagnetica di Maxwell.

Calcolo della lunghezza d’onda e della frequenza della luce

Il colore della luce dipende dalla lunghezza d’onda, comprendendo la luce come un’onda elettromagnetica. In un’onda periodica, la lunghezza d’onda (λ) è la distanza da cresta a cresta o da depressione a depressione sulla forma d’onda. Le solite unità di lunghezza d’onda sono metri, centimetri, millimetri e nanometri.

Nello spettro visibile, il viola ha la lunghezza d’onda più breve e il rosso ha la più lunga. La lunghezza d’onda della radiazione ultravioletta (UV) è più corta di quella della luce viola. Allo stesso modo, la lunghezza d’onda della radiazione infrarossa è più lunga della lunghezza d’onda della luce rossa.

Figura 1. Lo spettro visibile è la porzione dello spettro elettromagnetico visibile all’occhio umano. Immagine gentilmente concessa dalla Michigan State University.

Frequenza d’onda f è il numero di onde che passano un punto fisso per unità di tempo, misurato in Hertz (Hz). Un Hertz equivale a un’onda che passa un punto fisso in un secondo. Ancora in uso è il termine precedente cicli al secondo.

Il periodo T = 1/f è il tempo impiegato da un’onda periodica per attraversare un ciclo completo del suo moto. L’unità SI è la seconda (s).

È essenziale sottolineare che, prima di collegare i concetti di lunghezza d’onda, frequenza e periodo, la luce è un’onda viaggiante. Un’onda viaggiante si muove in una direzione e percorre la distanza di una lunghezza d’onda λ in un tempo pari a un periodo di tempo T. Se viaggia, ha una velocità v. Questa velocità si riferisce alla frequenza e lunghezza d’onda attraverso l’espressione v = l/T = λ · f.

Il accettato la velocità della luce è 299,792,458 m/s, arrotondato a 2.998 x 10⁸, ed espressa come c. Ogni volta che la conversione di lunghezza d’onda per la frequenza (o viceversa) è necessario, l’espressione c = λ · f è utilizzato.

Figura 2. Un diagramma di onde elettromagnetiche. Immagine gentilmente concessa dal Servizio Meteorologico Nazionale.

Lo spettro elettromagnetico è separato per ordine di lunghezza d’onda crescente nelle seguenti regioni: raggi gamma, raggi X, ultravioletti, luce visibile, infrarossi, microonde e onde radio. L’energia elettromagnetica del sole è costituita principalmente da lunghezze d’onda visibili e infrarosse, con piccole quantità di radiazioni ultraviolette, microonde e onde radio.

Figura 3.Colori della luce visibile e lunghezze d’onda.

La luce visibile, i colori e le lunghezze d’onda sono:

• Viola (400-450 nm)
• Indigo (420-450 nm)
• Blu (450-495 nm)
• Verde (495-570 nm)
• Giallo (570-590 nm)
• Arancione (590-620 nm)
• Rosso (620-750 nm)

L’occhio umano percepisce questa miscela di colori come il bianco, con lunghezze d’onda da 400 nm a 750 nm. La luce bianca è costituita da componenti di quasi tutti i colori dello spettro visibile con intensità approssimativamente uniformi. Una volta passato attraverso un prisma, la luce bianca è diffratta in tutti i colori.

Figura 4. La luce bianca è una miscela di tutti i colori della luce.

Newton fu il primo a riuscire a separare la luce solare bianca nei suoi componenti colorati.

Radiazione del corpo nero e Costante di Planck

Nel 1860, Gustav Kirchhoff affermò che alcuni oggetti assorbono e quindi emettono tutta l’energia che li colpisce. Ha chiamato questo evento radiazioni del corpo nero. Kirchhoff e Robert Bunsen hanno studiato lo spettro solare e pubblicato un articolo nel 1861, dove hanno identificato gli elementi chimici nell’atmosfera del sole e gli spettri di quegli elementi. Kirchhoff è stato assegnato il Rumford Medal per la sua ricerca su questo argomento nel 1862.

Nel 1900, Max Planck fece uno studio approfondito della radiazione del corpo nero e concluse che la quantità di energia irradiata era proporzionale alla frequenza delle onde elettromagnetiche che il corpo nero assorbiva. Questa emissione di energia era sotto forma di piccoli pacchetti discreti di energia che chiamò “quanti” (quantum è la forma singolare, dal latino per “quanto, quanti”). Questi quanti potevano acquisire solo valori discreti specifici in multipli di una costante. Oggi, questo concetto è noto come costante di Planck.

Nel 1901, Planck mostrò che assumendo l’energia radiante consiste in un numero integrale di “elementi energetici.” L’elemento di energia E deve essere proporzionale alla frequenza f, così:

E = h · f

dove:

E = energia elemento

h = costante di Planck (6.626 10ˉ3⁴ J s)

f = frequenza della radiazione elettromagnetica

Questi valori sono detto di essere quantizzato, e questa dimostrazione è stato il primo passo fondamentale per lo sviluppo della fisica quantistica, che studia la natura delle particelle elementari. Era la prima volta che qualcuno notava l’energia quantizzata.

Tuttavia, Planck non credeva che la radiazione fosse suddivisa in piccoli frammenti, come mostrava la sua analisi matematica. Considerava E · h * f un trucco matematico o una convenienza che gli dava le risposte giuste per risolvere un problema tecnico con i corpi neri, e non sembra aver mai pensato profondamente al suo significato fisico. Nelle sue stesse parole:

“Se il quantum di azione era una quantità fittizia, allora l’intera deduzione della legge della radiazione era nel principale illusorio e rappresentava nient’altro che un gioco vuoto non significativo sulle formule.”

Hertz e Hallwachs lavorano per comprendere l’effetto fotoelettrico

L’effetto fotoelettrico è stato studiato per molti anni e non è ancora completamente compreso.

Nel 1887 Heinrich Hertz progettò alcuni esperimenti con uno spark gap generator per testare l’ipotesi di Maxwell. Questi esperimenti hanno prodotto la prima trasmissione e ricezione di onde elettromagnetiche.

Scintille generate tra due piccole sfere metalliche in un trasmettitore scintille indotte che saltavano tra due manopole in ottone lucido in un anello di filo di rame che funzionava come ricevitore. Una piccola scintilla saltò tra questi due elettrodi. Hertz notò che poteva rendere il ricevitore spark più vigoroso illuminando gli elettrodi con luce ultravioletta. Non ha creato alcuna teoria che potesse spiegare il fenomeno osservato, ma questa è stata la prima osservazione dell’effetto fotoelettrico.

Un anno dopo, Wilhelm Hallwachs confermò questi risultati e mostrò che la luce ultravioletta che brillava su una lampadina di quarzo evacuata con due piastre di zinco come elettrodi e collegata a una batteria generava una corrente dovuta all’emissione di elettroni, o corrente fotoelettrica.

Stoletov e l’effetto fotografico

Dal 1888 al 1891, il fisico russo Alexander Stoletov eseguì un’analisi dell’effetto fotografico. Ha scoperto la proporzionalità diretta tra l’intensità della luce e la corrente fotoelettrica indotta. Oggi, questo è noto come la legge di Stoletov.

La scoperta di elettroni

Nel 1897 JJ Thomson scoprì gli elettroni, che chiamò “corpuscoli.”Ha poi continuato a proporre un modello per la struttura dell’atomo, popolarmente noto come “plum pudding model” perché era una sfera uniforme di materia caricata positivamente con elettroni incorporati. Nel 1899, dimostrò che l’aumentata sensibilità negli esperimenti di Hertz era il risultato della leggera spinta sui corpuscoli. Thomson ha riconosciuto che l’UV ha causato l’emissione di elettroni, le stesse particelle che si trovano nei raggi catodici.

Nel 1911, lo studente di JJ Thomson Rutherford propose un modello che descriveva l’atomo come un nucleo carico positivamente (nucleo) che concentrava quasi tutta la massa e attorno al quale gli elettroni (cariche negative) circolano a una certa distanza, come un sistema planetario.

Nel 1899, Philipp Lenard dimostrò che irradiare metalli con luce ultravioletta può produrre emissione di cariche negative o fotoelettroni. Ha scoperto che l’energia cinetica dei fotoelettroni emessi era indipendente dall’intensità della luce della stessa frequenza. Tuttavia, in accordo con la legge di conservazione dell’energia, più fotoelettroni sono stati espulsi da una fonte luminosa rispetto a una fonte fioca.

Come Einstein combinava i corpuscoli di Newton e gli elementi energetici di Planck

Albert Einstein tentò di spiegare l’effetto fotoelettrico facendo risorgere l’idea dei corpuscoli di luce sostenuta da Isaac Newton. Inoltre, nel 1905, fu il primo scienziato a prendere sul serio gli elementi energetici di Planck, proponendo che la luce arrivasse in fasci di energia. In un raggio, ci sono fasci di ” quanti.”Non ha detto che la luce è una” particella.”Secondo Einstein, un’energia” quantistica leggera ” e is è:

e · = h * f

dove, come prima:

h = Costante di Planck (6.626 10ˉ3 J J s)

f = frequenza della radiazione elettromagnetica

Einstein riconobbe che il modello di Planck era reale. Ciò che percepiamo come un’onda continua di radiazione elettromagnetica è un flusso di quanti discreti. Questa formula essenziale per la fisica quantistica è anche conosciuta come la relazione Planck-Einstein, dando credito al lavoro di Planck pure.

La previsione di Einstein era:

Eē = ½ · m · v2 = Eᵧ – W = h · f – W

in cui:

Eē = energia di elettroni

v = velocità dell’elettrone

m = massa dell’elettrone

Eᵧ = energia della luce quantistica

W = lavoro (funzione costante, dipendente del metallo)

La funzione di lavoro W è l’energia necessaria per il rilascio di un elettrone da uno specifico metallo (una sorta di rilascio di energia). Dipende dal metallo, dalla sua struttura cristallina e da quanto è levigata la superficie.

Einstein affermò che quando un quantum leggero fornisce energia eᵧ al metallo, parte di esso va alla funzione di lavoro e il resto va agli elettroni come energia cinetica. I metalli rilasciano elettroni a velocità zero se l’energia fornita è precisamente la sua funzione di lavoro. Possiamo anche giudicare da questa equazione che non tutte le frequenze di luce rilasceranno elettroni su un particolare metallo.

I dati sperimentali erano imprecisi in quel momento, e fu dopo dieci anni di misurazioni dell’energia dei fotoelettroni che, nel 1916, Robert Andrews Millikan verificò la congettura di Einstein.

Einstein ha anche proposto che i quanti abbiano slancio. Nel 1917, sviluppò la sua teoria assegnando un momento di p = eᵧ/c = h · f/c = h/λ al quantum della luce. Solo allora aveva le proprietà di una particella reale. Ha confermato che la luce si comporta come onde e come particelle.

Nel 1921, Einstein ricevette il premio Nobel per la fisica per “i suoi servizi alla fisica teorica, e in particolare per la sua scoperta della legge dell’effetto fotoelettrico.”Lo ricevette un anno dopo, nel 1922.

Nel 1923, Compton convalidò sperimentalmente le ipotesi sull’energia quantistica e sulla quantità di moto della luce, impiegando il suo esperimento di scattering e bombardando gli elettroni con quanti a raggi X.

Gilbert Lewis’ Scoperta di fotoni

Anche se si può sentire e capire il termine luce quantistica, è consuetudine parlare e scrivere di fotoni. Nel 1926, Gilbert Lewis, un chimico fisico, propose che invece del quanto della luce, si dovrebbe considerare un nuovo tipo di atomo — quello che chiamò un fotone — come vettore di luce.

Tuttavia, il fotone di Lewis era un concetto che divergeva dalle proposte di Einstein. La storia è troppo lunga per descrivere qui, ma dalla fine del 1920, i fisici consideravano il termine fotone un sinonimo adatto per il quantum di luce che Einstein introdusse nel 1905.

L’effetto fotoelettrico si verifica quando la luce splende su un metallo. Immagine gentilmente concessa da Feitscherg (CC BY-SA 3.0)

Figura 5. L’effetto fotoelettrico si verifica quando la luce splende su un metallo. Immagine gentilmente concessa da Feitscherg (CC BY-SA 3.0)

Recensione: Proprietà dell’effetto fotoelettrico

Le seguenti proprietà riassumono le osservazioni sperimentali sull’effetto fotoelettrico:

• Lastre di metallo lucido irradiate con luce possono emettere elettroni, chiamati fotoelettroni, creando una corrente fotoelettrica.
• Per un dato materiale fotosensibile, c’è una frequenza critica della luce al di sotto della quale non succede nulla. All’aumentare della frequenza, il processo inizia a funzionare, rilasciando fotoelettroni. Questa grandezza è la frequenza di soglia fₒ, e c’è una corrente solo per f > fₒ, non importa quanto alta possa essere l’intensità. F depends dipende dal metallo, dalla sua condizione superficiale (cioè da quanto è lucido) e dagli elettroni liberi nella struttura cristallina del metallo.
• La grandezza della corrente è direttamente proporzionale all’intensità della luce, a condizione che f > fₒ.
• Una proprietà cruciale è che l’energia dei fotoelettroni è indipendente dall’intensità della luce.
• L’energia dei fotoelettroni aumenta linearmente con la frequenza della luce. Questa proprietà dell’effetto fotoelettrico non è facile da capire, considerando la luce come un’onda. Einstein ha trovato una risposta: la luce arriva in fasci di energia.

È importante comprendere la natura della luce e il fenomeno attraverso il quale la luce può produrre energia elettrica per aiutare a capire meglio come funzionano le celle solari.

La luce si comporta come onde e particelle. La luce brillava sul metallo espelle gli elettroni dalla sua superficie. Questo fenomeno è l’effetto fotoelettrico e gli elettroni sono chiamati fotoelettroni. Gli esperimenti indicano che aumentando la frequenza della luce, l’energia cinetica dei fotoelettroni aumenta e intensificando la luce, la corrente aumenta.