Quantenphysik. Albert Einstein Mitbegründer der Quantenphysik. Modellvorstellung eines Quants

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1 Quantenphysik Albert Einstein Mitbegründer der Quantenphysik Modellvorstellung eines Quants

2 Die Wechselwirkung von Licht und Materie 1888 Wilhelm Hallwachs Bestrahlung von unterschiedlichen Metallplatten mit unterschiedlicher Ladung und verschiedenen Lichtquellen. Ergebnis: Eine negativ geladene Zinkplatte wird bei der Bestrahlung mit Licht entladen. Hallwachs-Effekt

3 Erklärung: freie Elektronen Metallgitter - Metall - Bestrahlt man ein Metall mit Licht So können aus der Oberfläche Elektronen herausgelöst werden. Diese Erscheinung nennt man den äußeren lichtelektrischen Effekt, bzw. Fotoeffekt. Die heraus gelösten Elektronen werden als Fotoelektronen bezeichnet. physikalische Deutung: Die Lichtwelle rüttelt an den Elektronen der Metallplatte und überträgt dabei ihre Energie auf die Elektronen. Mit den heraus gelösten Fotoelektronen müsste ein Stromfluß nachweisbar sein.

4 Die Fotozelle Die Fotozelle besteht aus einem evakuierten Glaskörper. Eine Seite des Glaskörpers ist im Inneren mit einer Metallschicht versehen, sie bildet die Fotokathode K. Ein Metallring bildet die Anode A.

5 Untersuchung des lichtelektrischen Effektes A A I F K + - U Zwischen Fotokathode (-) und Anode (+) wird über einen Strommesser eine elektrische Spannung U angelegt. Für U>0 fließt ein elektrischer Strom, der Fotostrom I F. ( es sind tatsächlich Fotoelektronen vorhanden) Bei Vergrößerung der Spannung U steigt auch der Fotostrom I F an. ( Fotoelektronen werden im elektrischen Feld beschleunigt) Die Erhöhung der Lichtintensität (Helligkeit) ergibt eine Zunahme von I F. ( helleres Licht erzeugt mehr Fotoelektronen) Auch bei U=0 fließt ein Fotostrom I F. ( Fotoelektronen sind auch bei U=0V in Bewegung)

6 Experimentelle Befunde beim Fotoeffekt: (1) Die beim Fotoeffekt heraus gelösten Fotoelektronen besitzen Bewegungsenergie. (2) Beim Fotoeffekt findet ein Energieaustausch des Lichtes auf die Fotoelektronen statt. Fragestellungen: (A) Wie groß ist die Bewegungsenergie der Fotoelektronen? (Wie kann man sie messen?) (B) Wovon hängt die Bewegungsenergie der Fotoelektronen ab? (C) Welchen Energiebetrag überträgt das Licht beim Fotoeffekt? Welche Energie besitzt das Licht?

7 Die Energie der Fotoelektronen (Energiebilanz beim Fotoeffekt)

8 Vorüberlegung: Wie kann man die Bewegungsenergie der beim Fotoeffekt erzeugten Fotoelektronen bestimmen? Abbremsung der Elektronen Gegenfeldmethode: A K U G V A I F Die Fotozelle wird so an eine regelbare Spannungsquelle (Potentiometer) angeschlossen, dass der Pluspol mit der Kathode und der Minuspol mit der Anode verbunden ist. I F Fotostrom U G Gegenspannung - U +

9 Versuchsdurchführung: Beobachtung Bei Bestrahlung mit Licht und U G =0V fließt ein konstanter Fotostrom. Erklärung Die heraus gelösten Fotoelektronen bewegen sich infolge ihrer Bewegungsenergie zur Anode. Mit zunehmender Gegenspannung nimmt der Fotostrom ab. Bei einer bestimmten Gegenspannung U Gmax fließt kein Fotostrom mehr (I F =0). Fotoelektronen werden abgebremst. Immer weniger Elektronen erreichen die Anode. Kein Fotoelektron kann das Gegenfeld überwinden und die Anode erreichen. Die Energie des elektrischen Feldes ist betragsmäßig so groß wie die Bewegungsenergie der Fotoelektronen. E m v 2 2 e U

10 Abhängigkeit der Energie der Fotoelektronen? (1) U Gmax = f(intensität) (Es gilt l=konstant) Die Intensität (Helligkeit) hat keinen Einfluss auf die Energie der Fotoelektronen. gleiche Werte für U Gmax I F hell mittel gering Die Intensität ist Maß für die Anzahl der Fotoelektronen. U G U Gmax (2) U Gmax = f(l) (Es gilt Intensität=konstant) U Gmax (rot) < U Gmax (grün) < U Gmax (blau) I F Je kleiner die Wellenlänge des Lichtes, desto größer die Energie der Fotoelektronen. U G

11 Quantitative Messergebnisse an einer Cäsium-Fotozelle: Lichtfarbe gelb grün blau violett l in nm f in Hz U Gmax in V 0,13 0,27 0,81 1,02 E kin in ev (J) E kin in (J)

12 E kin /ev 1,0 0, f G f/10 14 Hz -0,5-1,0-1,5 W A -2,0 Die Energie der Fotoelektronen steigt linear mit der Frequenz des Lichtes an. Die Frequenz, bei der Fotoelektronen herausgelöst werden, aber keine Bewegungsenergie besitzen, bezeichnet man als Grenzfrequenz f G. Den Energiebetrag, der notwendig ist, um Elektronen aus der Metalloberfläche heraus zu lösen, bezeichnet man als Ablösearbeit W A.

13 Austrittsarbeit von Metallen: Die Austrittsarbeit beim Fotoeffekt ist vom Metall abhängig. U Gmax? Cs Rb Mg Ag f Potentialtopfmodell

14 Gleichung des Graphen E kin = f(f) E Lineare Funktion: x f und y E kin n W A y m x h E f f kin kin W A h f E kin W A y = m. x + n E kin = m. f + n E kin = m. f - W A m = h = 4, evs = 6, Js h Plancksche Wirkungsquantum wichtigste Naturkonstante der Quantenphysik E kin Bewegungsenergie der Fotoelektronen W A Austrittsarbeit h. f Energie des Lichtes der Frequenz f Energiebilanz beim Fotoeffekt