Visualizza wikitesto di Lavoro di estrazione

In [[fisica]] il '''potenziale di estrazione'''<ref>{{Cita web|url=https://www2.pv.infn.it/~rotondi/rebuzzi.pdf|titolo=L’Effetto Fotoelettrico|autore=Daniela Rebuzzi|sito=Istituto Nazionale di Fisica Nucleare|data=25/05/2009}}</ref><ref>{{Cita web|url=https://library.weschool.com/lezione/effetto-fotoelettrico-fotone-elettrone-energia-quantizzata-fisica-dei-quanti-16834.html|titolo=L’effetto fotoelettrico: i fotoni e i quanti di energia|sito=WeSchool|lingua=it|accesso=2024-02-21}}</ref><ref>{{Cita web|url=http://www.bo.astro.it/sait/spigolature/spigo201avanzato.html|titolo=L'effetto fotoelettrico - avanzato|sito=www.bo.astro.it|accesso=2024-02-21}}</ref> o '''lavoro di estrazione''',<ref>{{Cita web|url=https://www.matefilia.it/arturnet/numero2/mecc_quant/eff_foto.htm|titolo=EFFETTO FOTOELETTRICO|sito=www.matefilia.it|accesso=2024-02-21}}</ref> noto anche come '''funzione lavoro''' ([[Calco linguistico|calco]] dall'inglese ''work function''), è l'[[energia]] minima che occorre fornire per estrarre un [[elettrone]] dalla superficie di un [[metallo]] o più in generale da un materiale. Questa quantità di energia è specifica, nel senso che si riferisce all'estrazione un singolo elettrone ed anche nel senso che dipende dal tipo di metallo o materiale: identità chimica, modificazione cristallina, tipo di superficie considerata, purezza, condizioni ambientali, etc. Quantitativamente, si aggira in genere intorno a qualche [[elettronvolt]].<ref>{{Cita web|url=https://public.wsu.edu/~pchemlab/documents/Work-functionvalues.pdf|titolo=Electron work function of the elements|sito=public.wsu.edu}}</ref>

L'energia può essere fornita al metallo in diverse forme. Quando l'energia viene fornita riscaldando il metallo si parla di [[effetto termoionico]]. Quando l'energia viene trasmessa da un [[fotone]], si parla di [[effetto fotoelettrico]].<ref>{{Cita libro|autore=Amaldi|titolo=La Fisica per i Licei Scientifici|anno=1999|editore=Zanichelli|città=Bologna}}</ref> L'emissione di elettroni da parte di superfici metalliche esposte a radiazioni elettromagnetiche fu scoperta nel XIX secolo dal fisico tedesco [[Heinrich Rudolf Hertz|Heinrich Hertz]]<ref>{{Cita pubblicazione|nome=H.|cognome=Hertz|data=1887-01|titolo=Ueber einen Einfluss des ultravioletten Lichtes auf die electrische Entladung|rivista=Annalen der Physik|volume=267|numero=8|pp=983-1000|lingua=en|accesso=2024-02-21|doi=10.1002/andp.18872670827|url=https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/andp.18872670827}}</ref> ed è stata riportata in diverse pubblicazioni scientifiche fin dall'inizio del [[XX secolo]].<ref>{{Cita pubblicazione|nome=P.|cognome=Lenard|data=1902-01|titolo=Ueber die lichtelektrische Wirkung|rivista=Annalen der Physik|volume=313|numero=5|pp=149-198|lingua=en|accesso=2024-02-21|doi=10.1002/andp.19023130510|url=https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/andp.19023130510}}</ref><ref>{{Cita pubblicazione|nome=R. A.|cognome=Millikan|data=1914-07-01|titolo=A Direct Determination of "h"|rivista=Physical Review|volume=4|numero=1|pp=73-75|accesso=2024-02-21|doi=10.1103/PhysRev.4.73.2|url=https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRev.4.73.2}}</ref> Come scoprì per primo [[Albert Einstein|Einstein]], quando un fotone di energia ''E'' colpisce un elettrone all'interno di un metallo, l'energia del fotone si può trasferire direttamente all'elettrone. Se questa energia è sufficiente, esso può venire espulso dal materiale.

All'interno di un materiale gli elettroni di conduzione al massimo possiedono un'energia potenziale pari a quella del [[livello di Fermi]] ''E''<sub>F</sub> (che varia con la temperatura);<ref>{{Cita libro|autore=Franco Bassani|autore2=Umberto M. Grassano|titolo=Fisica dello stato solido|anno=2000|editore=Bollati Boringhieri|pp=239-241}}</ref> questo valore di energia di un elettrone è inferiore di alcuni elettronvolt rispetto a quello di un elettrone stazionario nel vuoto appena al di fuori della superficie del materiale stesso (il cosiddetto «livello del vuoto»).<ref>{{Cita pubblicazione|nome=Hisao|cognome=Ishii|nome2=Kiyoshi|cognome2=Sugiyama|nome3=Eisuke|cognome3=Ito|data=1999-06|titolo=Energy Level Alignment and Interfacial Electronic Structures at Organic/Metal and Organic/Organic Interfaces|rivista=Advanced Materials|volume=11|numero=8|pp=605-625|lingua=en|accesso=2024-02-21|doi=10.1002/(SICI)1521-4095(199906)11:8<605::AID-ADMA605>3.0.CO;2-Q|url=https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/(SICI)1521-4095(199906)11:83.0.CO;2-Q}}</ref> L'altezza energetica di tale barriera è il potenziale di estrazione φ, per cui l'energia complessiva di un elettrone appena all'esterno di tale superficie è E<sub>0</sub> = ''E''<sub>F</sub> + φ. Se l'energia fornita dalla radiazione all'elettrone è maggiore di φ, la differenza si ritroverà in energia cinetica dell'elettrone estratto (E<sub>k</sub>), cioè si avrà E = ''E''<sub>F</sub> + φ + E<sub>k</sub>.

Quindi, il superamento della barriera di potenziale da parte di un elettrone all'interno del metallo M che si trovi al livello di Fermi richiede che ad esso venga aggiunta una quantità di energia pari al potenziale di estrazione di quel metallo φ(M).<ref>{{Cita|IUPAC Gold Book}}.</ref> Volendo che vengano estratti elettroni che si trovino al di sotto dell'energia di Fermi occorre fornire un'energia proporzionalmente superiore.

Un elettrone esattamente al livello di fermi colpito da un fotone di energia <math>E = h \cdot f</math>, dove f è la [[frequenza]] del fotone e h la [[costante di Planck]], verrà strappato al metallo solo se ''E > φ'', ovvero se la frequenza della radiazione incidente supera una soglia minima:
:<math>f > \frac{\phi}{h}</math>.

== Lavoro di estrazione di alcuni metalli ==

La tabella seguente riporta i valori dei lavori del potenziale di estrazione di alcuni metalli.<ref>CRC handbook on Chemistry and Physics version 2008, p. 12-114.</ref> Tali valori sono indicativi, in quanto variano a seconda dell'orientazione della struttura cristallina, nonché in base alla purezza del metallo.

{| class="wikitable"
|-
! Elemento
! φ (eV)
! Elemento
! φ (eV)
! Elemento
! φ (eV)
! Elemento
! φ (eV)
! Elemento
! φ (eV)
|-
|align="right" |[[Argento|Ag]]:
|4,26<ref name=":0">{{Cita libro|autore=walker|titolo=Dalla meccanica alla fisica moderna|anno=2012|editore=pearson italia|città=milano-torino|p=951|ISBN=978-88-6364-380-0}}</ref>
|align="right" |[[Alluminio|Al]]:
|4,28<ref name=":0" />
|align="right" |[[Arsenico|As]]:
|3,75
|align="right" |[[Oro|Au]]:
|5,1-5,47
|align="right" |[[Boro|B]]:
|~4,45
|-
|align="right" |[[Bario|Ba]]:
|2,52-2,7
|align="right" |[[Berillio|Be]]:
|4,98
|align="right" |[[Bismuto|Bi]]:
|4,34
|align="right" |[[Carbonio|C]]:
|~5
|align="right" |[[Calcio (elemento chimico)|Ca]]:
|2,87
|-
|align="right" |[[Cadmio|Cd]]:
|4,08
|align="right" |[[Cerio|Ce]]:
|2,9
|align="right" |[[Cobalto|Co]]:
|5
|align="right" |[[Cromo|Cr]]:
|4,5
|align="right" |[[Cesio (elemento chimico)|Cs]]:
|2,14<ref name=":0" />
|-
|align="right" |[[Rame|Cu]]:
|4,65<ref name=":0" />
|align="right" |[[Europio|Eu]]:
|2,5
|align="right" |[[Ferro|Fe]]:
|4,67-4,81
|align="right" |[[Gallio (elemento chimico)|Ga]]:
|4,32
|align="right" |[[Gadolinio|Gd]]:
|2,90
|-
|align="right" |[[Afnio|Hf]]:
|3,9
|align="right" |[[Mercurio (elemento chimico)|Hg]]:
|4,475
|align="right" |[[Indio|In]]:
|4,09
|align="right" |[[Iridio|Ir]]:
|5,00-5,67
|align="right" |[[Potassio|K]]:
|2,30<ref name=":0" />
|-
|align="right" |[[Lantanio|La]]:
|4
|align="right" |[[Litio|Li]]:
|2,93
|align="right" |[[Lutezio|Lu]]:
|~3,3
|align="right" |[[Magnesio|Mg]]:
|3,66
|align="right" |[[Manganese|Mn]]:
|4,1
|-
|align="right" |[[Molibdeno|Mo]]:
|4,36-4,95
|align="right" |[[Sodio|Na]]:
|2,36
|align="right" |[[Niobio|Nb]]:
|3,95-4,87
|align="right" |[[Neodimio|Nd]]:
|3,2
|align="right" |[[Nichel|Ni]]:
|5,15<ref name=":0" />
|-
|align="right" |[[Osmio|Os]]:
|5,93
|align="right" |[[Piombo|Pb]]:
|4,25
|align="right" |[[Palladio (elemento chimico)|Pd]]:
|5,22-5,6
|align="right" |[[Platino|Pt]]:
|5,12-5,93
|align="right" |[[Rubidio|Rb]]:
|2,261
|-
|align="right" |[[Renio|Re]]:
|4,72
|align="right" |[[Rodio|Rh]]:
|4,98
|align="right" |[[Rutenio|Ru]]:
|4,71
|align="right" |[[Antimonio|Sb]]:
|4,55-4,7
|align="right" |[[Scandio|Sc]]:
|3,5
|-
|align="right" |[[Selenio|Se]]:
|5,9
|align="right" |[[Silicio|Si]]:
|4,85<ref name=":0" />
|align="right" |[[Samario|Sm]]:
|2,7
|align="right" |[[Stagno (elemento chimico)|Sn]]:
|4,42
|align="right" |[[Stronzio|Sr]]:
|~2,59
|-
|align="right" |[[Tantalio|Ta]]:
|4,00-4,80
|align="right" |[[Terbio|Tb]]:
|3,00
|align="right" |[[Tellurio|Te]]:
|4,95
|align="right" |[[Torio|Th]]:
|3,4
|align="right" |[[Titanio|Ti]]:
|4,33
|-
|align="right" |[[Tallio|Tl]]:
|~3,84
|align="right" |[[Uranio|U]]:
|3,63-3,90
|align="right" |[[Vanadio|V]]:
|4,3
|align="right" |[[Tungsteno|W]]:
|4,32-5,22
|align="right" |[[Ittrio|Y]]:
|3,1
|-
|align="right" |[[Itterbio|Yb]]:
|2,60<ref>{{Cita pubblicazione
| doi = 10.1016/0026-2692(95)00097-6
| issn = 0026-2692
| volume = 27
| numero = 1
| pp = 93-96
| cognome = Nikolic
| nome = M. V.
| coautori = S. M. Radic, V. Minic, M. M. Ristic
| titolo = The dependence of the work function of rare earth metals on their electron structure
| rivista = Microelectronics Journal
| accesso=22 settembre 2009
| data = 1996-02
}}</ref>
|align="right" |[[Zinco|Zn]]:
|3,63-4,9
|align="right" |[[Zirconio|Zr]]:
|4,05
|
|
|
|
|-
|}

Da notare che il valore di soglia del metallo è espresso in [[elettronvolt]]. Pertanto, per poter determinare la [[frequenza]] " f " e la [[lunghezza d'onda]] " λ " di soglia è necessario esprimere l'energia di soglia del [[fotone]] incidente in [[Joule]]. Considerato, quindi, che E(J) = E(eV) x (1,602 x 10<sup>-19</sup>[[J]]), che la relazione di Einstein “ '''E = h·f''' ” determina l'energia dei [[fotoni]] (dove '''h''' è la [[costante di Planck]]) e che “ '''f·λ = c''' ”, si possono determinare i valori di soglia di " '''f''' " (= E(J) / h) e poi di " '''λ''' " (= c / f).

Consideriamo, a titolo esemplificativo, il [[potassio]] (K); poiché il lavoro di estrazione equivale alla minima energia che i [[fotoni]] devono avere per dare inizio all'[[effetto fotoelettrico]], si avrà: 
* E(J) = 2,29 x (1,602 x 10<sup>-19</sup>J) = 3,67 x 10<sup>-19</sup>J
* f = (3,67 x 10<sup>-19</sup>J) ''':''' (6,626 x 10<sup>-34</sup>Js) = 5,54 x 10<sup>14</sup>1/s = 5,54 x 10<sup>14</sup>Hz
* λ = (3 x 10<sup>8</sup>m/s) ''':''' (5,54 x 10<sup>14</sup>1/s) = 5,41 x 10<sup>-7</sup>m = 541 x 10<sup>-9</sup>m = 541 nm
Questo valore di [[lunghezza d'onda]] corrisponde alla [[luce]] verde dello [[spettro elettromagnetico]].

==Note==
<references/>

==Bibliografia==
* {{cita libro | cognome= McNaught | nome= M. | coautori= A. Wilkinson | titolo= IUPAC. Compendium of Chemical Terminology ("Gold Book") | editore= Blackwell Scientific Publications | città= Oxford | ed= 2 | anno= 1997 | lingua= inglese | isbn= 0-9678550-9-8 | doi= 10.1351/goldbook.E02015 | cid= IUPAC Gold Book | url= http://goldbook.iupac.org/E02015.html}}

==Voci correlate==
* [[Effetto termoionico]]
* [[Effetto fotoelettrico]]
* [[Energia di Fermi]]
* [[Elettronvolt]]
* [[Joule]]
* [[Fotone]]

{{Controllo di autorità}}
{{Portale|chimica|fisica|materiali}}

[[Categoria:Scienza dei materiali]]