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L’effetto fotoelettrico e le sue

applicazioni in fisica dell’Atmosfera

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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..

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.

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)


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 è alla base del funzionamento dei CCD (Charge Coupled Devices). Gli elettroni negli atomi di silicio si trovano in livelli quantizzati di energia. Il livello di energia più bassa si 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.

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rgia

cre

scen

te

Banda di valenza

Banda di conduzione

1.26eV

fotone foto

ne

buca elettrone


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.

Connettori

Connessioni

Piedini

Supporto di ceramica, metallo o plasticaArea dell’immagine

Registro serialeStrato di silicio Amplificatore


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.

PIOGGIA (FOTONI)

SECCHI (PIXEL)

NASTRI TRASPORTATORI VERTICALI (COLONNE DEI CCD)

NASTRO TRASPORTATOREORIZZONTALE(REGISTRO SERIALE)

CONTENITORE GRADUATO(AMPLIFICATORE IN USCITA)

I secchi raccolgono la pioggia (durante la posa i pixel raccolgono i fotoni)


Al termine i secchi contengono una certa quantità di acqua (al termine della posa i pixel contengono una certa quantità di carica)



I nastri trasportatori entrano in funzione e spostano i secchi. La prima fila di secchi sui nastri verticali viene spostata sul nastro orizzontale.



I nastri verticali si fermano. Il nastro orizzontale travasa il contenuto del primo secchio nel contenitore graduato.



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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.










Una nuova fila di secchi viene spostata sul nastro orizzontale e la procedura di misura è ripetura per tutte le file di secchi.

























La lettura del CCD è completa quando il contenuto di tutti i secchi è stato misurato.


e le sue

applicazioni in fisica dell’AtmosferaAll’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

Spettrometro GASCOD

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applicazioni in fisica dell’AtmosferaL’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

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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

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applicazioni in fisica dell’AtmosferaL’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.

Figura 3

Sole

Atmosfera

GASCOD

NO2 O3SO2

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Figura 4

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

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Figura 4

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.

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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.

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applicazioni in fisica dell’AtmosferaLa 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).

Figura 6Figura 5

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applicazioni in fisica dell’AtmosferaLe 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

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applicazioni in fisica dell’AtmosferaLe 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).

Figura 9 Figura 10

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Grazie dell’attenzione

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

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