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Fotone

Il fotone e la doppia natura della luce. Calcolo dell'energia del fotone

Alla fine del XIX secolo, fenomeni luminosi quali la diffrazione, la rifrazione e l'interferenza venivano spiegati in base alla teoria ondulatoria della luce.

Tale teoria però, non riusciva a spiegare in modo sufficientemente chiaro fenomeni quali ad esempio gli spettri a righe e l'effetto fotoelettrico.

La svolta si ebbe nel Natale del 1900, quando Max Planck, dallo studio dello spettro di un corpo nero giunse alle conclusioni che l'energia luminosa viene emessa dai corpi sotto forma di quantità finite (discontinue), dette quanti.

L'energia del fotone

L'energia associata a un quanto di frequenza v è data da:

fotone

ovvero, ricordando che c = λ · v :

energia fotone

dove h è una costante determinata dallo stesso Planck, chiamata quanto di azione (oggigiorno nota come costante di Planck) che vale 6,625·10-34 J·s.

max plank

Il fisico tedesco Max Planck

Da allora nasce l'idea di una doppia natura della luce. Per essere descritta la luce richiede pertanto due modelli, apparentemente in reciproca contraddizione: il modello ondulatorio e il modello corpuscolare.

Si utilizza il modello ondulatorio per descrivere i fenomeni di propagazione delle onde elettromagnetiche.

Si utilizza il modello corpuscolare per descrivere i fenomeni di interazione con la materia.

L'equazione

fotone

racchiude in sè la doppia natura della luce: nell'interazione con la materia emerge la natura corpuscolare della luce costituita da un insieme di fotoni ciascuno dei quali ha energia E; nella propagazione e nell'aggiramento di piccoli ostacoli emerge la natura ondulatoria della luce caratterizzata da una lunghezza d'onda λ e da una frequenza v.

Nel 1905 Einstein confermò la natura corpuscolare della luce, utilizzando l'ipotesi di Planck per spiegare l'effetto fotoelettrico, fenomeno inspiegabile utilizzando il modello ondulatorio della luce.

Esercizio sull'energia dei fotoni

Calcolare l'energia in joule dei fotoni di una radiazione avente frequenza v = 5,26 · 1014 Hz.

Risoluzione dell'esercizio

L'energia associata a un quanto di frequenza v è data da:

fotone

in cui: h = 6,625·10-34 J·s

Per cui:

E = h · v = 6,625·10-34 J·s · 5,26 · 1014 s-1 = 3,48 · 10-19 J

Quindi l'energia del fotone è 3,48 · 10-19 J.

Prova tu

Un'onda elettromagnetica si propaga nel vuoto con lunghezza d'onda pari a 10-10 m.

Si determini l'energia associata al fotone dell'onda elettromagnetica.

La soluzione dell'esercizio la trovi qui: energia del fotone.

Esercizi sulle onde elettromagnetiche

Se ti interessano li trovi qui: esercizi sulle onde elettromagnetiche.

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