L'effetto fotoelettrico può essere spiegato sulla base della teoria ondulatoria della luce? Nonostante tutto il clamore quantistico, l'effetto fotoelettrico può essere spiegato, almeno qualitativamente, dalla teoria ondulatoria. La spiegazione è molto semplice. Iniziamo con questi quattro postulati che sono universalmente accettati tra i fisici ed erano noti dal 1914 circa. [Vedi Rutherford, Ernest. (1914). "La struttura dell'atomo". Rivista filosofica. Serie 6, 27: 488 – 498.] L'atomo di idrogeno ha un protone come nucleo. Il campo elettrostatico positivo del protone è sfericamente simmetrico. L'atomo di idrogeno è elettrostaticamente neutro. L'atomo è neutro perché la carica negativa dell'elettrone annulla la carica positiva del protone. Questo ci dice che, in un atomo, l'elettrone non può essere un qualsiasi tipo di particella, poiché nessuna particella potrebbe raggiungere la neutralità in un campo sferico. C'è solo una configurazione di un atomo di idrogeno che è coerente con tutti e quattro questi postulati. Nello stato di riposo dell'atomo di idrogeno, l'elettrone deve formare una sfera fisica che circonda il protone. Qualsiasi altra configurazione porterebbe banalmente a cariche sbilanciate e quindi a forze sbilanciate che violerebbero il postulato 3. Per inciso, tutte le immagini degli atomi ottenute al microscopio mostrano che sono approssimativamente sferici. Questo lascia la domanda: Come fa un elettrone a formare una sfera? Se l'elettrone in un atomo non può essere fisicamente una particella, allora possiamo ulteriormente postulare che l'elettrone sia una sorta di onda. Questo postulato non è universalmente accettato, e quindi richiede una certa giustificazione. Ad esempio, potremmo sostenere che è coerente con la teoria quantistica dei campi. Noto anche che il comportamento particellare può essere spiegato in altri modi. Ad esempio, i "rilevatori di posizione" si basano su atomi che catturano elettroni. Non importa quanto possa essere esteso spazialmente, un elettrone può essere catturato solo da un atomo alla volta. Questo dà la falsa impressione che l'elettrone sia stato "rilevato" in un posto. Quando ciò che in realtà connota è che l'elettrone è stato rilevato in una sola volta, con la completa perdita di informazioni sull'estensione spaziale. Se l'elettrone è una sfera, ed è un'onda, allora può essere solo un'onda stazionaria sferica. E questo ci porta direttamente alla spiegazione dell'effetto fotoelettrico. Sappiamo che tutte le onde stazionarie sono caratterizzate dall'avere vari "stati energetici" meglio conosciuti come "armonici" (o "armonici" in musica). La serie armonica fu scoperta nell'antichità da Pitagora e rigorosamente definita da Laplace nel 1700. Le armoniche si verificano nelle onde stazionarie perché un'onda stazionaria può ospitare solo un numero intero di lunghezze d'onda (ci sono complicazioni, ma concettualmente questa definizione è adeguata per i miei scopi). Lo "stato di riposo" è il numero minimo di lunghezze d'onda che un'onda stazionaria può ospitare. Le armoniche di un'onda stazionaria sferica laplaciana generale sono più o meno identiche agli "orbitali" degli elettroni negli atomi. E questo è spiegato dal fatto che la matematica delle onde stazionarie sferiche è incorporata nel formalismo della funzione d'onda, anche se profondamente sepolta e detta onda è virtuale. Si noti anche che l'onda stazionaria è l'unico fenomeno fisico noto per quantizzare l'energia in questo modo, quindi è il candidato perfetto per spiegare la quantizzazione. A mio avviso, la quantizzazione è una proprietà emergente degli atomi (o più precisamente una proprietà strutturale). Un elettrone libero non viene quantizzato in questo modo. Se è il caso che un elettrone in un atomo assuma la forma di un'onda stazionaria sferica, e la sua energia venga automaticamente quantizzata, allora un tale sistema, nonostante sia del tutto "classico", avrebbe tutte le caratteristiche necessarie per spiegare adeguatamente l'effetto fotoelettrico. Ad esempio, un atomo di onda stazionaria sarebbe insensibile all'intensità della luce perché le sue armoniche hanno energie specifiche ed esatte. Un elettrone in un tale sistema non sarebbe in grado di assorbire fotoni tranne quelli che corrispondono precisamente alle differenze di energia tra le armoniche. Quindi l'energia della luce sarebbe la condizione necessaria per vedere l'effetto fotoelettrico, non l'intensità. Quando si dice che "la teoria ondulatoria classica non riesce a spiegare l'effetto fotoelettrico", si riferiscono a questo particolare risultato empirico (intensità vs lunghezza d'onda). L'idea è che nessuno può fare quello che ho appena fatto io. Qualsiasi fotone emesso da un tale atomo sarebbe necessariamente quantizzato. E poiché praticamente tutti i fotoni che vediamo sono stati emessi dagli atomi, potremmo naturalmente concludere che tutti i fotoni sono quantizzati. È solo quando ignoriamo la proprietà molto ovvia di tutte le onde stazionarie, che dobbiamo persino pensare a qualche altra spiegazione. Ergo, sì, la teoria ondulatoria della luce (e della materia) può spiegare qualitativamente l'effetto fotoelettrico. La domanda ora è: questo approccio può spiegare l'effetto quantitativamente? Sono convinto di sì e sto lavorando per questo (ma mi piacerebbe incontrare un genio della matematica con un po' di tempo a disposizione).
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