L'Effetto Fotoelettrico e la Dualità Onda-Particella
scoperto ai primi del novecento durante lo studio dell'effetto fotoelettrico. L'effetto in questione avveniva quando un raggio luminoso colpiva una superficie metallica producendo, in certe condizioni, una leggera corrente elettrica. L'effetto poteva essere intuitivamente compreso pensando al raggio luminoso come dotato di una certa energia che questo poteva cedere ad un elettrone della piastra metallica eccitandolo. Se questa energia era sufficientemente alta, l'elettrone si liberava dando così origine ad una piccola corrente. La spiegazione era convincente, tuttavia ci si rese ben presto conto che, in alcuni metalli, una esposizione ad una luce rossa, quindi una bassa frequenza, non provocava effetti, indipendentemente dall'intensità luminosa con la quale si esponeva la piastra. Viceversa una semplice luce azzurra, cioè ad alta frequenza, provocava sempre una piccola corrente, per quanto flebile. Il mistero dell'effetto fotoelettrico fu risolto da Einstein riprendendo un'ipotesi -fino a quel momento inutilizzata- avanzata da Planck per la radiazione del corpo nero. Einstein, ipotizzando che la luce fosse portata da particelle, ora chiamate fotoni, riuscì a spiegare brillantemente il fenomeno ricorrendo alla legge dell'energia $E=h\nu$ dipendente esclusivamente dal colore o frequenza del raggio luminoso.
Onde e Corpuscoli
Lo studio della luce portò ad una profonda rivoluzione concettuale nelle ipotesi alla base della struttura della materia. Due concetti, che fino ad allora erano concepiti radicalmente distinti come quelli di onda e di corpuscolo, si dimostrarono entrambi necessari e complementari nel descrivere la realtà naturale della luce.
Onde di luce
Il nuovo punto di vista di Planck, reso necessario da Einstein per la spiegazione dell'effetto fotoelettrico, coinvolgeva infatti un aspetto ondulatorio della luce strettamente unito ad un aspetto corpuscolare. Se, infatti, osserviamo in modo più ravvicinato l'equazione di Planck, noteremo che questa salda in maniera inequivocabile l'idea di onda a quella di corpuscolo o quanto: $E=h\nu$
Nell'equazione di Planck, infatti, l'energia di un raggio di luce è data dal prodotto della frequenza dell'onda luminosa per una costante $h$ chiamata quanto di minima azione. La costante di Planck $h$ vincola il comportamento della luce ad un comportamento corpuscolare. La sua presenza, infatti, sta a significare che l'energia può trasmettersi solo tramite delle quantità fisse ed indivisibili di azione, ovvero tramite quelli che Planck chiamerà quanti di minima azione.
La teoria quantistica della luce non può essere vista come soddisfacente perché definisce l'energia di un corpuscolo di luce come $E=h\nu$ cioè contenente una frequenza $\nu$. Ora, una teoria puramente corpuscolare non contiene alcun elemento che permetta una definizione di frequenza. Questa ragione da sola rendeva necessario nel caso della luce di introdurre simultaneamente il concetto di corpuscolo e quello di periodicità.
Louis de Broglie
Il Peso della Luce
Prima di passare a quella che è la vera rivoluzione della meccanica ondulatoria operata da de Broglie all'inizio del XX secolo, cerchiamo di riformulare alcuni importanti concetti sulla natura corpuscolare della luce che saranno estremamente utili in seguito. Studiando il comportamento della luce, infatti, abbiamo evidenziato come i raggi di luce incontrando oggetti materiali, si comportano come piccoli corpuscoli dotati di una loro massa a cui abbiamo dato il nome di fotoni. Questo è il principio delle vele solari che vogliono sfruttare la pressione radiante emanata dal Sole per procedere nella navigazione spaziale. Quando i fotoni impattano con le vele solari, trasmettono loro un impulso proprio come accadrebbe a causa di un impatto con un flusso di corpuscoli più lenti ma dotati massa.