Motivation
    Photoeffekt (auch photoelektrischer Effekt), allgemeiner Begriff für die Bildung und Freisetzung von elektrisch geladenen Teilchen aus Materie, wenn diese mit Licht oder anderer elektromagnetischer Strahlung bestrahlt wird. Beim äußeren Photoeffekt, der hier betrachtet wird, werden Elektronen durch Photonen aus der Oberfläche eines metallischen Leiters freigesetzt.
    Dieser Effekt wurde 1887/88 von Heinrich Hertz und W. Hallwachs entdeckt. Die Erforschung des äußeren Photoeffekts spielte eine große Rolle in der Entwicklung der modernen Physik. Ursprünglich ging man nämlich davon aus, Licht sei eine elektromagnetische Welle und alle Phänomene ließen sich durch den Wellencharakter beschreiben. Erst durch die Entdeckung des Photoeffekts wurde klar, dass Licht in bestimmten Situationen auch Teilcheneigenschaften besitzt (1905 von Einstein postuliert, Nobelpreis 1921) und man sich vom reinen Wellenbild verabschieden musste.
    Der Welle-Teilchen-Dualismus war geboren.
Prinzip




    In einem evakuierten Gaskolben befindet sich eine Metallplatte (Photokathode, im Bild rosa eingefärbt) und gegenüberliegend eine ringförmige Anode. Wird nun die Kathode mit Licht bestrahlt, werden Elektronen aus dem Metall herausgelöst und gelangen zur Anode. Dort können sie mit einem Amperemeter A als Anodenstrom nachgewiesen werden.
    Um die Energie der emittierten Elektronen zu ermitteln kann zwischen Kathode und Anode eine Gegenspannung angelegt werden. Man erhöht die diese Spannung so lange bis kein Strom mehr fließt, ihre Energie berechnet sich dann ganz einfach nach folgender Formel:


    Folgende Widersprüche ergeben sich bei diesem Experiment zur klassischen Theorie:

    • Die kinetische Energie der Elektronen müsste sich bei Beleuchtung mit hellerem Licht erhöhen, was nicht beobachtet wird.
      Beleuchtet man die Photokathode mit doppelter Intensität, verdoppelt sich zwar der Photostrom (also die Anzahl der Elektronen, die pro Zeiteinheit die Photokathode erreichen), jedoch nicht deren Energie. Für beide Beleuchtungsintensitäten verschwindet der der Strom bei der selben Gegenspannung
    • Der Photoeffekt müsste bei genügend hoher Intensität bei jeder Frequenz des eingestrahlten Lichts beobachtbar sein. Auch dieser Effekt kann nicht beobachtet werden.
      Beleuchtet man die Photokathode mit Licht unterschiedlicher Frequenzen, so stellt man fest, dass die Energie der Elektronen mit steigender Lichtfrequenz zunimmt, eine größere Gegenspannung ist nötig um die Elektronen daran zu hindern auf die Kathode zu gelangen. Trägt man die Gegenspannung als Funktion der Lichtfrequenz auf, so ergibt sich eine Gerade, man spricht von einem linearen Zusammenhang.
      Die Elektronenenergie lässt sich nun folgendermaßen beschreiben:


      Der Wert des Planckschen Wirkungsquantums h läßt sich aus der Steigung der Geraden ablesen und ist in der Aufgabe 2b zu ermitteln. Die Austrittsarbeit ist vom Material abhängig und ist der Grund dafür, dass nicht bei beliebig kleinen Lichtfrequenzen Strom fließen kann. Die Austrittsarbeit ist nämlich die Energie, die ein Leitungselektron braucht um sich aus seiner Bindung zu lösen und durch die Oberfläche des Materials ins Vakuum zu gelangen. Sie lässt sich experimentell durch den Photoeffekt bestimmen.

    Für eine detailliertere Erläuterung des Photoeffekts schlagen Sie beispielsweise im Buch zur Vorlesung nach.
    ["Ein Jahr für die Physik", C. Thomsen, H. G. Gumlich, 2.Auflage, S.247 ff]
Aufgaben
  • Aufgabe1

    a) Licht der Wellenlänge λ=250 nm trifft auf eine Kaliumschicht der Fläche A=1cm^2, die Bestrahlungsstärke beträgt 2 W/m^2. Berechnen Sie die Energie eines Photons dieser Strahlung.

    b)Wie viele Photonen treffen in einer Sekunde auf diese Kaliumschicht?

    c) Eine Metalloberfläche hat die Austrittsarbeit für Elektronen von 4,14 eV. Welches ist die Grenzfrequenz und die Grenzwellenlänge für den äußeren Photoeffekt?

    Lösung

  • Aufgabe2


    Applet aus der Sammlung von Walter Fendt, http://www.walter-fendt.de/ph11d/


    Das folgende Java-Applet simuliert einen Versuchsaufbau zur Bestimmung des Planckschen Wirkungsquantums und der Austrittsarbeit: Aus dem Licht einer Quecksilberdampflampe wird eine einzige Spektrallinie herausgefiltert. Dieses Licht trifft auf die Kathode (K) einer Photozelle und löst dort den Photoeffekt aus (oder auch nicht). Um die maximale kinetische Energie der austretenden Elektronen zu bestimmen, kann mit Hilfe einer Potentiometerschaltung eine Gegenspannung so weit erhöht werden, bis die Elektronen nicht mehr an der Anode (A) ankommen. Das blaue Messgerät zeigt den Wert dieser Gegenspannung an. Ob noch Elektronen die Anode erreichen, ist an dem roten Messgerät erkennbar.
    Auf der Schaltfläche lassen sich das Kathodenmaterial, die Wellenlänge und die Gegenspannung einstellen. Die angegebenen Zahlenwerte beziehen sich auf die Frequenz des Lichtes und die Energiebilanz beim Photoeffekt. Die Messergebnisse werden links unten in ein Frequenz-Spannungs-Diagramm eingezeichnet, können aber mit Hilfe des Buttons wieder gelöscht werden.


    a)Welches der Kathodenmaterialien besitzt die größte Austrittsarbeit?

    b)Ermitteln Sie für die drei Kathodenmaterialen jeweils das Plancksche Wirkungsquantum und vergleichen Sie die Werte.

    Lösung
Quiz
    Unter dem folgenden Link finden Sie ein Quiz, an dem Sie ihr Wissen über das bohrsche Atommodell überprüfen können:

    Quiz
Links
Fragen
    Für Fragen zu einer der Aufgaben oder allgemein zu diesem Thema steht das Forum zur Verfügung.