Come ha fatto Einstein a scoprire l'universo quantistico e a creare il fotone?
All’inizio del XX secolo, un esperimento rivoluzionario noto come effetto fotoelettrico ha rivoluzionato la nostra comprensione della luce e degli elettroni.
Contrariamente alle aspettative, il comportamento degli elettroni sotto l'influenza della luce non era conforme alle teorie classiche dell'elettromagnetismo. Attraverso questo esperimento, Albert Einstein scoprì l'esistenza dei fotoni, che segnò un notevole cambiamento nella nostra comprensione dell'universo fisico.
Tradizionalmente, si credeva che la luce si propagasse come onde di elettricità e magnetismo, come ha spiegato James Clerk Maxwell. Secondo questa comprensione, gli elettroni accumulavano progressivamente energia luminosa fino a raggiungere una soglia energetica che consentiva loro di sfuggire alla superficie metallica.
Tuttavia, l’effetto fotoelettrico ha rivelato risultati sorprendenti. Solo la luce al di sopra di una certa frequenza era in grado di rilasciare elettroni e, indipendentemente dall'intensità della luce, gli elettroni uscivano sempre con lo stesso livello di energia.
La soluzione di Einstein
Einstein propose rapidamente una soluzione ingegnosa a questo enigma. Ha postulato che la luce stessa sia quantizzata e che esista come pacchetti discreti di energia noti come fotoni. Queste unità indivisibili di materia luminosa si comportano come se fossero onde quando vengono amalgamate, ma la loro natura particellare diventa evidente se esaminate singolarmente.
A differenza delle onde continue, i fotoni non possono essere divisi in proporzioni frazionarie. Invece, si presentano in multipli interi, analoghi a una unità, due unità e così via.
La scoperta rivoluzionaria di Einstein risolse l'enigma dell'effetto fotoelettrico. L'energia necessaria affinché gli elettroni fuoriescano da un metallo dipende solo dalla frequenza della luce, non dalla sua luminosità o intensità. Frequenze più alte corrispondono a fotoni più energetici. L'energia insufficiente nei fotoni più lenti rende gli elettroni incapaci di liberarsi.
La collisione dei fotoni con gli elettroni trasmette una quantità fissa di energia, il che spiega perché gli elettroni fuoriescono in modo coerente e uniforme. La scoperta dei fotoni da parte di Einstein ha illuminato la natura quantistica sottostante della luce, rivelando un mondo microscopico che sfidava la comprensione classica.
Questa rivelazione costituì una pietra miliare cruciale nel progresso scientifico, valse a Einstein il Premio Nobel e aprì la strada a una maggiore esplorazione delle particelle quantistiche e dei loro complessi comportamenti.
Riferimento alle notizie
Sutter P., How Einstein Unlocked the Quantum Universe and Created the Photon. Universe Today (2023).