Äußerer lichtelektrischer Effekt

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Ingrid Alexa Schuler
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1 Grundexperiment 1 UV-Licht Video: 301-1

2 Grundexperiment 2 UV-Licht

3 Grundexperiment 3 Rotes Licht Video: 301-2

4 Grundexperiment 3 UV-Licht Glasplatte Video: 301-2

5 Herauslösung von Elektronen aus Metallplatte Erkenntnis: Kurzwelliges (energiereiches) Licht löst Elektronen aus der Oberfläche von Metallen heraus.

6 Weitere Experimente mit der Fotozelle Aufbau: Glaskolben mit Vakuum Katode mit großer Oberfläche (Lichtempfänger) Anode in der Form eines dünnen Drahtringes oder Drahtnetzes Wirkungsweise: Licht löst aus Katode Elektronen heraus Elektronen wandern zur positiven Anode (Absaugung) Stromfluss entsteht (prop. Zur Lichteinstrahlung) (Betriebsspannung ca V) Die Fotozelle wandelt Lichtenergie in elektrische Energie um.

7 Weitere Experimente und Erkenntnisse Je näher die Lampe, desto größer der Fotostrom. Der Fotostrom ist indirekt proportional zum Quadrat des Abstands zur Lichtquelle, er ist daher direkt proportional zur Intensität des eingestrahlten Lichtes. A

8 Weitere Experimente und Erkenntnisse ABSTAND KONSTANT FARBEN Je größer die Frequenz des eingestrahlten Lichtes, desto größer ist die Spannung, die sich zwischen Kathode und Anode aufbaut. U

9 Gegenfeldmethode A V Bearbeiten Sie im LB die Wirkungsweise der Gegenfeldmethode.

10 Gegenfeldmethode Prinzip der Messungen Messergebnisse: Wellenlänge in Frequenz in Hz Farbe U in V nm 580 0, , , , , ,87 Energie in J Energie in ev

11 U in V; E kin in ev y = m x + n E kin = m f + n Austrittsarbeit W A Grenzfrequenz f G E kin = m f - W A E kin = h f - W A f in Hz Einsteinsche Gleichung: h f = W A + E kin

12 Übernehmen Sie aus dem LB die Definitionen für das Plancksche Wirkungsquantum und die Grenzfrequenz. Austrittsarbeiten: Material Pt Ni Au Ag W Cu Zn Ta W A in ev 5,32 5,0 4,8 4,6 4,5 4,3 4,3 4,2 Material Mo Al Na K Li Rb Ba Cs W A in ev 4,2 3,0 2,28 2,25 2,2 2,13 1,8 1,7

13 Zusammenfassung Experimentelle Ergebnisse Energiereiches UV-Licht löst aus einer Zinkplatte Elektronen aus. Das Auftreten des Fotoeffekts hängt ab von der Wellenlänge bzw. Frequenz des verwendeten Lichts und vom Metall (aus Alkalimetallen lassen sich besonders leicht Fotoelektronen auslösen). Eine Fotozelle erzeugt bei Beleuchtung eine Spannung. Fotoelektronen werden spontan ausgelöst. Der Fotostrom ist zur Intensität des Lichts proportional. Die kinetische Energie der Fotoelektronen wächst linear mit der Frequenz des Lichts.

14 Erklärung des Fotoeffekt mittels bekannter Modelle Die Stärke des Fotostroms ist proportional zur Intensität des eingestrahlten Lichtes. Die kinetische Energie der einzelnen Fotoelektronen ist von der Beleuchtungsstärke unabhängig. Die kinetische Energie der einzelnen Fotoelektronen wächst linear mit der Frequenz des eingestrahlten Lichtes. Es existiert eine Grenzfrequenz. Unterhalb dieser Grenzfrequenz werden unabhängig von der Intensität des Lichtes keine Fotoelektronen herausgelöst. Welle Teilchen

15 Weder das Wellenmodell noch das Teilchenmodell allein sind geeignet, die vielfältigen Erscheinungen des lichtelektriscchen Effektes des Lichtes vollständig zu erklären. Video: 302-1

16 Erklärung des Fotoeffekt: Licht besteht aus Quanten (:=Energieportionen), die man (beim Licht) Photonen nennt. Die Photonen haben die Energie E Ph = h f. Trifft ein Photon ein Elektron so überträgt es seine gesamte Energie auf das Elektron und hört auf zu existieren. Die Photonenenergie beim Fotoeffekt verteilt sich auf: - die Überwindung der Austrittsarbeit W A der Elektronen - der Rest wird als kinetische Energie auf das Elektron übertragen. Jedes Photon kann maximal 1 Fotoelektron auslösen, wenn seine Energie h f > W A ist.

17 Erklärung des Fotoeffekt: Die kinetische Energie der Elektronen führt zu einer Ladungstrennung. Daher erzeugt eine Fotozelle bei Beleuchtung eine Spannung, die der kinetischen Energie der Fotoelektronen entspricht (die Fotoelektronen können ein schwaches Gegenfeld durchlaufen). Es gilt die Einsteinsche-Gleichung für den Fotoeffekt: h f = W A + E kin,eoder: E Ph = W A + E kin,e- E Ph = h f der Fotoeffekt tritt nur auf, wenn h f > W A, E Ph > W A ist. Die Lichtintensität wird durch die Anzahl der Photonen bestimmt, die Energie des Lichtes durch die Energie der Photonen.

18 Erklärung des Fotoeffekt: Die kinetische Energie der Elektronen führt zu einer Ladungstrennung. Daher erzeugt eine Fotozelle bei Beleuchtung eine Spannung, die der kinetischen Energie der Fotoelektronen entspricht (die Fotoelektronen können ein schwaches Gegenfeld durchlaufen). Es gilt die Einsteinsche-Gleichung für den Fotoeffekt: h f = W A + E kin,eder Fotoeffekt tritt nur auf, wenn h f > W A ist. Die Lichtintensität wird durch die Anzahl der Photonen bestimmt, die Energie des Lichtes durch die Energie der Photonen.

19 Übungsaufgaben: Berechnen Sie die Energie der Fotoelektronen in der Messwerttabelle in der Maßeinheit J (Umrechnungsfaktor s. Tafelwerk).

20 Übungsaufgaben:

21 Übungsaufgaben:

22 Übungsaufgaben:

23 Übungsaufgaben:

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