Experimentelle Betrachtung Theoretische Betrachtung. Photoeffekt. 9. April 2012

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1 9. April 2012

2 Inhalt Experimentelle Betrachtung 1 Experimentelle Betrachtung 2

3 Einleitung Experimentelle Betrachtung Photoelektrischer Effekt beschreibt drei verschiedene Arten von Wechselwirkung von Photonen mit Materie Äußerer photoelektrischer Effekt / Photoemission Innerer photoelektrischer Effekt Photoionisation Im weiteren wird nur der äußere photoelektrische Effekt behandelt.

4 Entdeckungsverlauf 1839 Becquerel: Herauslösung von Ladungsträgern aus einer blanken Metalloberfläche unter Lichteinstrahlung 1886/1887 Hertz: lichtelektrischer Effekt: Herauslösung von Elektronen aus einer Metalloberfläche durch UV-Licht Hallwachs: weitere Untersuchungen ( Goldblattelectroskop ) 1900 Lenard: Untersuchungen im Hochvakuum Bestimmung der Ladungsträger als Elektronen, Abhängigkeiten von Frequenz und Bestrahlungsstärke Millikan: Bei Einsteins Erklärungen vorkommender Proportionalitätsfaktor ist Planck sches Wirkungsquantum

5 Experimenteller Befund 1 Es existiert eine materialabhängige, untere Grenzfrequenz ν g 2 Die kinetische Energie der ausgelösten Elektronen steht in linearem Zusammenhang zur Frequenz des Lichtes, ist aber unabhängig von der Intensität des Lichtes 3 Für Frequenzen ν ν g ist die Zahl der emittierten Photoelektronen proportional zur eingestrahlten Lichtintensität. 4 erfolgt ohne zeitliche Verzögerung ( < 10 9 s )

6 Widersprüche zur (reinen) Wellennatur Prinzipiell Erklärung durch klassisches Wellenbild möglich: Feldstärkevektor der autreffenden Welle zwingt die Metallelektronen zum Schwingen Resonanz zwischen der Eigenfrequenz und der Wellenfrequenz große Amplitude führt zur Abtrennung von Elektronen Zusammenhang zwischen Intensität der einfallenden Welle und der kinetischen Energie der Elektronen 1 Widerspruch: Es gibt keinen Zusammenhang zwischen Intensität der Welle und kinetischer Energie des Elektrons 2 Widerspruch: Anregung durch Welle kann nicht so schnell ablaufen

7 Lichtquantenhypothese Die präzise Deutung des s gelang Einstein im Jahr 1905 mit seiner Lichtquantenhypothese. Diese knüpft an die Planck sche Quantenhypothese zur Wärmestrahlung an. Theorem Die Strahlung der Frequenz ν verhält sich bei der Wechselwirkung mit Materie wie eine Ansammlung von Lichtquanten (Photonen) mit der Energie E = h ν Ist die quantisierte Energie eines Photons. Jedes herausgelöste Elektron hat genau die Energie eines Photons absorbiert und damit seine Energie um genau den Wert erhöht.

8 Austrittsarbeit Jedes Elektron verbraucht die materialspezifische Austrittsarbeit W A. Die übrig bleibende Energie verbleibt dem Elektron als kinetische Energie. Theorem E = h ν = 1 2 mv 2 + W A Die Austrittsarbeit hier ist identisch mit der Austrittarbeit bei der thermischen Befreiung von Elektronen aus Metallen (Glühemission) Theorem hν g = W A

9 Fazit Experimentelle Betrachtung Licht hat sowohl Welleneigenschaften, als auch Teilcheneigenschaften Welle-Teilchen-Dualismus und Comptoneffekt sind überzeugende experimentelle Beweise der Teilchenatur des Lichtes.

10 Literatur Experimentelle Betrachtung Wikipedia (Deutsche Sprachversion): Effekt Nolting, Wolfgang: Grundkurs Theoretische Physik - Quantenmechanik Teil 1. Vieweg, Braunschweig / Wiesbaden 2000.