2. Kapitel Der Photoeffekt

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1 2. Kapitel Der Photoeffekt 2.1 Lernziele Sie wissen, was allgemein unter dem Begriff Photoeffekt zu verstehen ist. Sie können den inneren Photoeffekt vom äusseren unterscheiden. Sie können das Experiment und die Deutung des äusseren Photoeffekts beschreiben. Sie wissen, dass es einen Zusammenhang von Lichtintensität und Photostrom gibt und kennen ein Anwendungsbeispiel für den äusseren Photoeffekt. Sie können den inneren Photoeffekt erklären. 2.2 Allgemein Der Photoeffekt (auch photoelektrischer Effekt oder lichtelektrischer Effekt genannt) ist ein allgemeiner Begriff für die Bildung und Freisetzung von elektrisch geladenen Teilchen aus der Materie, wenn diese mit Licht oder anderer elektromagnetischer Strahlung bestrahlt wird. 2.3 zwei Arten des Photoeffekts Der äussere Photoeffekt: Beim äusseren Photoeffekt werden Elektronen durch Einfluss von Strahlung aus der Oberfläche eines metallischen Leiters freigesetzt. Der innere Photoeffekt: Beim inneren Photoeffekt werden Elektronen durch Einfluss von Strahlung im Innern eines Festkörpers ihre Bindung verlassen und dann als Leitungselektronen zur Verfügung stehen. 2.4 der äussere Photoeffekt (auch Photoemission oder Hallwachs-Effekt) Schematische Darstellung Bei der Bestrahlung einer Metalloberfläche mit kurzwelligem Licht treffen Photonen auf die Oberfläche und geben ihre Energie an die Elektronen ab. Mit der gewonnenen Energie kann das Elektron das Metall verlassen. Abb.2: der äussere Photoeffekt

2 2.4.2 Geschichte des äusseren Photoeffekts Der lichtelektrische Effekt wurde 1839 von Alexandre Becquerel erstmals beobachtet und um 1888 von Wilhelm Hallwachs und Heinrich Rudolf Hertz systematisch untersucht. Heinrich Hertz bemerkte ihn als Nebeneffekt eines anderen Versuches und Wilhelm Hallwachs schuf den Grundversuch zum äusseren Photoeffekt. Daher ist der äussere Photoeffekt auch als Hallwachs-Effekt bekannt. Um 1905 deutete ihn Albert Einstein erstmals als einen quantenphysikalischen Effekt. Unter anderem erhielt Einstein dafür 1921 den Nobelpreis. Die Erforschung des äusseren Photoeffekts spielte eine wichtige Rolle in der Entwicklung der Physik. Man ging ursprünglich davon aus, dass Licht eine elektromagnetische Welle ist und alle Phänomene sich durch den Wellencharakter beschreiben liessen. Durch die Entdeckung des Photoeffekts wurde klar, dass Licht in bestimmten Situationen auch Teilcheneigenschaften besitzt Experiment zum äusseren Photoeffekt Die klassischen Modelle können den Photoeffekt nicht beschreiben (bzw. widersprechen ihm oft). Daher ist die Beschreibung des Photoeffekts sehr schwierig, da man die Ergebnisse von Experimenten nicht kennt. Bei diesem Experiment wird die Zinkplatte, welche auf ein Elektroskop aufgesteckt ist, mit einem Hochspannungsnetzgerät elektrisch aufgeladen. Beim elektrischen Aufladen schlägt das Elektroskop aus. Danach wird die Zinkplatte mit verschiedenen Lichtquellen (z.b. einer Glühlampe oder einer Quecksilberdampf-Lampe) bestrahlt. Wenn durch die Bestrahlung die Ladung des Elektroskop (und damit auch der Zinkplatte) sinkt, deutet dies auf eine Freisetzung von Ladungsträger auf der Zinkplatte hin. Abb.3: Experiment zum äusseren Photoeffekt

3 Materialien Aufbau und Durchführung 1 Zinkplatte mit Elektroskop 1 Quecksilberdampf-Lampe 1 Glühlampe 1 Hochspannungsmessgerät 1. Polieren Sie mit dem Schmirgelpapier die Zinkplatte. 2. Laden Sie die Zinkplatte mit dem Hochspannungsmessgerät auf (2000V für einen Vollausschlag). 3. Beleuchten Sie die Zinkplatte mit verschiedenen Lichtquellen. 4. Beobachten Sie die Zeiger des Elektroskops. Aufgaben: 1. Wie ändert sich der Ausschlag des Elektroskops, wenn Sie die Zinkplatte positiv aufladen und mit einer Glühlampe beleuchten? 2. Wie ändert sich der Ausschlag des Elektroskops, wenn Sie die Zinkplatte positiv aufladen und mit einer Quecksilberdampf-Lampe beleuchten? 3. Wie ändert sich der Ausschlag des Elektroskops, wenn Sie die Zinkplatte negativ aufladen und mit einer Glühlampe beleuchten? 4. Wie ändert sich der Ausschlag des Elektroskops, wenn Sie die Zinkplatte negativ aufladen und mit einer Quecksilberdampf-Lampe beleuchten? Ergebnisse: 1. Durch die Glühlampe werden keine positiven Ladungsträger freigesetzt, daher verändert sich der Zeiger des Elektroskops nicht. 2. Durch die Quecksilberdampf-Lampe werden keine positiven Ladungsträger freigesetzt, daher verändert sich der Zeiger des Elektroskops nicht. Positive Ladungen lassen sich nicht mit elektromagnetischen Wellen freisetzen, weil sie in Metallen festgebunden sind.

4 3. Durch die Glühlampe werden keine negativen Ladungsträger freigesetzt, daher verändert sich der Zeiger des Elektroskops nicht. 4. Durch die Quecksilberdampf-Lampe werden Elektronen aus der Metalloberfläche ausgelöst, daher geht der Ausschlag des Elektroskops schnell auf Null zurück. Negative Ladungen lassen sich mit elektromagnetischen Wellen von einer Metalloberfläche freisetzten Deutung des äusseren Photoeffekts Das Experiment hat gezeigt, dass Licht aus Metalloberflächen negative Ladungsträger, Elektronen, auslösen kann. In der klassischen Wellentheorie des Lichtes würde dieser Effekt von der Intensität der elektromagnetischen Welle abhängen, nicht jedoch von der Frequenz. Wie der Versuch gezeigt hat, ist dies nicht der Fall. Die Erklärung für diesen Fall lieferte Albert Einstein im Jahre Er nahm an, dass die Energie des Lichtes nicht kontinuierlich verteilt ist (von einer Welle würde man dies erwarten!), sondern in quantisierten Energiepaketen (Ansammlung von Lichtteilchen) vorliegt, die er Photonen nannte. Die Energie eines Photons ist von der Frequenz des Lichtes abhängig und beträgt, wobei das Planck'sche Wirkungsquantum ist. Das Planck'sche Wirkungsquantum wurde von Max Planck 1900 als neue Naturkonstante zur Erklärung der Frequenzabhängigkeit der Wärmeleitung eingeführt. Wenn ein Elektron ein einzelnes Quant absorbiert, dann erhöht sich die Energie des Elektrons um den Betrag. Um das Elektron aus dem Metall zu lösen, muss ein Teil der Energie aufgewendet werden. Dieser Teil der Energie nennt man Austrittsarbeit. Dieser Betrag ist von Metall zu Metall unterschiedlich und sollte nicht von der Elektronenenergie abhängen. Die übrige Energie steht der kinetischen Energie des Elektrons zur Verfügung. Ein Elektron kann daher nur aus dem Metall herausgeschlagen werden, wenn die Energie des Photons grösser als die materialabhängige Austrittsarbeit ist. oder weil

5 = Lichtfrequenz = Austrittsarbeit = Planck'sches Wirkungsquantum = Masse = Wellenlänge des Lichts = Lichtgeschwindigkeit = Elektronengeschwindigkeit = Energiebilanz beim Photoeffekt = kinetische Energie Zusammenhang von Lichtintensität und Photostrom Um den Zusammenhang von der Lichtintensität und dem Photostrom zu erklären, schauen wir ein Experiment mit einer Vakuum-Fotozelle an. Die Vakuumröhre um die Fotozelle soll Stösse der Elektronen mit Gasatomen vermeiden und somit einen höheren Stromfluss garantieren. Das Licht, welches auf die Kathode (aus Metall) an der Rückwand der Fotozelle fällt, löst aus deren Oberfläche Elektronen aus Photoeffekt. Eine Beschleunigungs-oder Gegenspannung kann an die ringförmige Anode angelegt werden, damit die Elektronen beschleunigt oder abgebremst werden. Den Photostrom kann man nachher mit einem Messverstärker zwischen der Ringanode und der Kathode abmessen. Messverstärker Abb.4: Experiment mit Vakuum-Fotozelle Abb.5: Vakuum-Fotozelle

6 Materialien 1 Vakuum-Fotozelle mit ringförmiger Anode und Photokathode 2 Kerzen Aufbau und Durchführung 1. Legen Sie eine Beschleunigungsspannung zwischen der Kathode und der Anode an. 2. Beleuchten Sie die Vakuum-Fotozelle mit verschiedenen Lichtquellen. 3. Messen Sie den Photostrom zwischen Anode und Kathode. Aufgaben: 1. Messen sie den Photostrom zwischen Anode und Kathode, wenn Sie eine Beschleunigungsspannung von 80V anlegen und als Lichtquelle eine brennende Kerze im Abstand von 10cm benutzen. 2. Neben die erste Kerze wird eine zweite gestellt. Wie verändert sich der Photostrom? 3. Eine Kerze wird im Abstand von 20cm zur Fotostelle positioniert. Wie verändert sich der Photostrom? Ergebnisse: 1. Es ist ein Stromfluss feststellbar, weil die durch den Photoeffekt freigesetzten Elektronen an der Kathode wegen der Beschleunigungsspannung zur Anode bewegt werden. 2. Bei Verwendung von zwei Kerzen ist der Photostrom doppelt so hoch. Der Photostrom ist abhängig von der Intensität des einfallenden Lichtes. Viele Photonen setzten deutlich mehr Elektronen frei als wenige Photonen. Voraussetzung: Die Energie bzw. Frequenz der Photonen muss genug gross sein, um Elektronen freizusetzten. 3. Eine Verdoppelung des Abstandes zwischen Kerze und Fotozelle bedeutet, dass der Photostrom auf einen Viertel des ursprünglichen Wertes zurückgeht. Die Intensität nimmt durch die Ausbreitung im Raum quadratisch mit dem Abstand ab.

7 2.4.6 Anwendung Eine der wichtigsten Funktionen der Haut ist der Schutz des Körpers vor der schädigenden Wirkung von UV- Strahlen. Um diese Funktion zu erfüllen, reagiert die Haut auf Sonnenbestrahlung durch Verdickung der obersten Hautschicht und Melaninbildung, die als Bräunung sichtbar wird. Aber was hat die Bräunung der Haut mit dem Photoeffekt zu tun? Weil nur die energiereichen UV-Strahlen die Haut Abb.6: Funktion der Haut bräunen, müssen die Photonen selber eine gewisse Energiemenge mit sich tragen. Sonst lösen sie den chemischen Prozess der Hautbräune gar nicht aus. Genau so funktioniert es auch beim Photoeffekt. 2.5 Der innere Photoeffekt Die Metalloberflächen leiten den Strom sehr gut, weil die Elektronen beinahe frei sind. Was passiert nun, wenn Licht auf einen Isolator trifft? Isolatoren leiten den Strom schlecht, weil die Elektronen nicht beweglich, sondern fest an die Atome gebunden sind. Beispiel: Ein Elektron sitzt in einem Zimmer ohne Türen und Fenster. Die vier Wände dieses Zimmers sind wie eine Treppe, dessen Stufen unregelmässig hoch sind. Um eine oder mehrere dieser Stufen aufzusteigen, muss das Elektron eine bestimmte Energiemenge zugeführt bekommen, nicht mehr und auch nicht weniger. Diese Energiestufen bezeichnet man als Energiezustände oder Energieniveaus. Wenn nun auf ein solches Material Licht trifft, dessen Energiemenge den Minimalwert des Materials erreicht, so steigen die Elektronen einen Energiezustand oder mehrere Energiezustände höher auf und die Photonen werden verschluckt. Die Photonenenergie kann auch so gross sein, dass sich die Elektronen ganz von den Energiezuständen lösen. Sie sind dann frei beweglich und tragen zur Leitung des elektrischen Stromes bei.

8 2.6 Aufgaben 1. Aufgabe: Wie gross ist die Energie der Lichtquanten für folgende durch die Wellenlänge bestimmten Strahlungen? a) Rundfunkwelle: = 1300m b) Fernsehwelle: = 0.46m c) Weiche Röntgenstrahlen: = 10m d) Energiereiche kosmische Strahlung: = 14m 2. Aufgabe: Die Austrittsarbeit bei Kalium beträgt. Auf die Kaliumschicht fällt Licht mit der Wellenlänge. a) Wie gross ist die kinetische Energie der energiereichsten Fotoelektronen? b) Wie gross ist die Geschwindigkeit der Elektronen?