Fotoeffekt 1. Fotoeffekt. auch: äußerer lichtelektrischer Effekt, äußerer Fotoeffekt

Transkript

1 Fotoeffekt 1 Versuch: Fotoeffekt auch: äußerer lichtelektrischer Effekt, äußerer Fotoeffekt Vorbereitung: Platte gut abschmirgeln Mit Ladungslöffel negativ aufladen. Durchführungen: 1. Licht einer Quecksilberdampflampe (mit hohem UV-Anteil) strahlt auf eine negativ geladene Zinkplatte (Das Elektroskop zeigt die Abnahme der Ladung an). 2. Das Licht wird auf eine positiv geladene Zinkplatte gestrahlt. (Das Elektroskop zeigt keine Veränderung) Licht kann Elektronen aus einer Metallplatte auslösen. 3. Durch größeren Abstand zwischen Lampe und Metallplatte wird die Intensität des Lichts verkleinert, was einer geringeren Amplitude entspricht. Bei geringerer Amplitude werden weniger Elektronen abgelöst.

2 Fotoeffekt 2 4. Durch eine Glasplatte zwischen Lampe und Metallplatte wird der UV-Anteil ausgefiltert und die Metallplatte nur mit niederfrequentem Licht bestrahlt. Zum Auslösen der Elektronen aus der Zinkplatte wird hochfrequentes Licht benötigt. 5. Wiederholung von Versuch 3 mit geringerem Abstand. Mit niederfrequentem Licht können auch bei hoher Intensität (Amplitude) keine Elektronen abgelöst werden. Zusammenfassung: 1. Die Auslösung der Elektronen ist von der Frequenz und nicht von der Amplitude des Lichts abhängig. 2. Beim Fotoeffekt ist Licht mit einer best. Mindestfrequenz notwendig 3. Dabei kann durch die Amplitude nur die Anzahl der Elektronen verändert werden. Erkenntnis: Der Fotoeffekt kann nicht mit dem Wellenmodell des Lichtes erklärt werden, da die Amplitude dann einen Einfluss auf die Auslösung der Elektronen haben müsste. Versuch: Quantitative Untersuchung des Foto- oder lichtelektrischen Effekts Licht verschiedener Frequenzen wird eingestrahlt und die entstehende Spannung mit Hilfe eines Messverstärkers (V) und eines Voltmeters (0,3-1V) gemessen.

3 Fotoeffekt 3 Versuchsergebnisse: Farbe Wellenlänge Frequenz Spannung Energie Energie λ [nm] f * [Hz] U [V] W kin* [J] W kin [ev] Gelb 580 5,17 0,63 1,01 0,63 Grün 544 5,52 0,73 1,17 0,73 Blau 438 6,85 1,28 2,05 1,28 Violett 405 7,41 1,55 2,48 1,55 UV 366 8,19 1,87 2,99 1,87 Berechnung der Energie des erzeugten elektrischen Feldes: Die elektrische Energie wird aus der kinetischen Energie der Elektronen erhalten: Energieangaben im atomaren Bereich in Elektronenvolt angeben: Diagramm E elektr [ev] gegen f[ * Hz]: Fotoeffekt E [ev] ,55 1,87 1,28 0,63 0, ,42 f [Hz] * 10 14

4 Fotoeffekt 4 Auswertung des Diagrammes: Aus dem Vergleich mit der Geradengleichung (y=mx+b) ergibt sich: Für die Steigung lässt sich aus dem Steigungsdreieck ermitteln: Somit folgt (sog. Einsteinsche Gerade): E kin = h f W A d. h.: E kin h f W A - die Energie der Elektronen, die abgelöst werden - die eingestrahlte Energie - die Austrittsarbeit = Mindestenergie, um Elektronen abzulösen Merke: Ein Lichtquant überträgt seine gesamte Energie an ein Elektron weiter und verschwindet dadurch. Ein Teil dieser Energie wird in Austrittsarbeit für das Elektron umgesetzt. Den Rest behält das Elektron als kinetische Energie: Austrittsarbeiten verschiedener Metalle: Quellen: Material Pt Ni Au Ag W Cu Zn Ta Mo Al Na K Li Rb Ba Cs W A [ev] 5,32 5,0 4,8 4,6 4,5 4,3 4,3 4,2 4,2 3,0 2,28 2,25 2,2 2,13 1,8 1,7 Die Austrittsarbeit ist die kleinste Energie, die benötigt wird, um ein Elektron aus einem Festkörper zu lösen. Sie ist abhängig von der Art des Metalls und besonders klein bei Alkali- und Erdalkalimetallen. Beispielen für Einstein - Geraden

5 Fotoeffekt 5 Grenzfall: Wird durch die Strahlungsenergie gerade die Energie zugefügt, die notwendig ist, um das Elektron abzulösen, im aber keine weitere kinetische Energie zur Verfügung zu stellen, so ist die Austrittsarbeit der Grenzfrequenz proportional: Gegenfeldmethode: Weitere experimentelle Anordnung zur quantitativen Auswertung des Fotoeffektes Die austretenden Elektronen besitzen eine bestimmte maximale kinetische Energie. Es fließt ein Strom Vergrößert man die Gegenspannung zwischen Katode und Anode, so werden die Elektronen im Gegenfeld abgebremst Wenn die kinetische Energie nicht mehr ausreicht, um das Gegenfeld zu ü- berwinden ist die Stromstärke null. Für diesen Fall gilt: Einstein erklärte den Fotoeffekt (Nobelpreis 1921): Licht ist aus kleinen Energiepaketen zusammengesetzt Photonen oder Lichtquanten genannt. Ein freies Elektron im Metall, das von einem Photon getroffen wird, übernimmt (= absorbiert) die Energie des Photons. Besitzt das Photon ausreichend Energie, so wird das Elektron vom Metall gelöst. Die maximale Energie des freigesetzten Elektrons (E kin ) hängt nur von der Energie des freisetzenden Photons (E Strahl =h * f) ab. Die maximale Energie des freigesetzten Elektrons ist unabhängig von der Intensität des einfallenden Lichts. Eigenschaften des Lichtes Teilchen Wellen befinden sich zu jedem Zeitpunkt an einem beruhen auf räumlichen und zeitlich periodischen ganz bestimmten Ort und haben eine bestimmte Veränderungen physikalischer Größen Geschwindigkeit sind räumlich ausgedehnt bewegen sich auf bestimmten Bahnen an Hindernissen kommt es zu Beugung und bei Wechselwirkungen gelten die Erhaltungssätze Reflexion für Energie und Impuls Interferenz kann zu Verstärkung oder Auslö- schung führen

6 Fotoeffekt 6 Energie, Masse und Impuls von Photonen Nach Einstein besteht Licht aus Photonen oder Lichtquanten. Die Energie eines Photons beträgt: Nach der Relativitätstheorie sind Energie und Masse äquivalent: Kennt man die Energie eines Photons, so kann man auch die dazu äquivalente Masse angeben: Anwendung: 1. Wegen ihrer Masse werden Photonen von Gravitationsfeldern beeinflusst. Das führt z. B. zu einer geringen Ablenkung des Lichtes von seiner sonst geradlinigen Ausbreitung, wenn es nahe der Sonne verläuft. 2. Der Photonen-Impuls ist auch für den Sonnenwind verantwortlich. Dessen Wirkung zeigt sich z.b. in der Krümmung von Kometenschweifen und in der Verformung des Erdmagnetfeldes. Dem Lichtquant kann auch ein Impuls (Produkt aus Masse und Geschwindigkeit) zugeordnet werden: Beispiel: Berechne die Masse und den Impuls eines Lichtphotons aus den Grenzen des sichtbaren Lichts (380 bis 780 nm): Lösung: Vergleiche m e = 9,1 * kg

7 Fotoeffekt 7 Aufgabenblatt: Fotoeffekt Aufgabe 1: Eine Fotozelle wird nacheinander mit Licht unterschiedlicher Wellenlänge bestrahlt. Man misst zu jeder Wellenlänge λ die Gegenspannung U, für die der Photostrom null wird: λ [nm] U [V] 1,46 1,13 0,336 0,211 a. Zeichnen Sie die Werte der maximalen kinetischen Energie E kin der Photoelektronen in Abhängigkeit von der Frequenz f in ein f - E kin Diagramm ein. Maßstab: Hz = 1 cm, 1 ev = 2 cm. b. Berechnen Sie aus den Messwerten das Plancksche Wirkungsquantum h. c. Berechnen Sie die Austrittsarbeit und die Grenzfrequenz der verwendeten Photozelle unter Verwendung des berechneten Wertes von h. Die Austrittsarbeit ist in ev anzugeben. (1 J = 6,24 * ev) Aufgabe 2: In der folgenden Tabelle sind W A bzw. f Gr angegeben. Ergänzen Sie jeweils die freien Felder! Element f Gr in Hz W A in ev Natrium 2,27 Platin 5,36 Kupfer 4,48 Cäsium 4,7 Aufgabe 3: Für Zink (Zn) beträgt die Austrittsarbeit W A =4,27 ev. Welche Frequenz muss Licht mindestens haben, damit aus Zink Elektronen ausgelöst werden können? Aufgabe 4: Auf einer Silberplatte, die sich in einer Fotozelle befindet fällt Licht der Frequenz f = 1,5 * Hz. Mit welcher Geschwindigkeit verlassen die schnellsten Fotoelektronen das Silber, wenn W A = 4,70 ev? Aufgabe 5: Aus einem Metall werden bei einer Frequenz f = 1,66 * Hz Fotoelektronen der Maximalenergie 2,4 ev ausgelöst. Wie groß ist die Austrittsarbeit des Metalls? Wie groß muss die Frequenz mindestens sein, damit noch Elektronen ausgelöst werden können? Aufgabe 6: Die Kathode einer Fotozelle hat die Grenzwellenlänge 639 nm. Sie wird mit parallelem Licht der Wellenlänge 540 nm bestrahlt. Es entsteht ein Photostrom. a. Welche Energie hat ein eintreffendes Photon? b. Welche Energie hat ein ausgelöstes Elektron? Aufgabe 7 Um Elektronen aus einer Magnesiumschicht auszulösen, darf das Licht höchstens die Wellenlänge λ = 370 nm haben. Auf eine Fotozelle mit Magnesiumkathode fällt Licht der Wellenlänge λ = 250 nm. Welche Gegenspannung ist erforderlich, um den Fotostrom zu unterbinden. Aufgabe 8: Die Kathode einer Wolfram-Photozelle wird beleuchtet. Bei Wolfram beträgt die Austrittsarbeit 4,57 ev. a. Weisen sie nach, dass mit Licht der Wellenlänge 589 nm kein Fotostrom ausgelöst werden kann. b. Welche maximale Geschwindigkeit haben die Elektronen bei Bestrahlung mit ultraviolettem Licht der Wellenlänge 236 nm? c. Welche Gegenspannung ist bei Bestrahlung mit Licht der Wellenlänge 236 nm erforderlich, um einen Fotostrom zu verhindern? Aufgabe 9: Ein Raumschiff werde mit einem Laserblitz der Energie W beschossen, die ein großes Kraftwerk (Leistung 6 GW) in einer Sekunde bereitstellt. Mit welchem Impuls wird das Raumschiff getroffen. Mit welcher Geschwindigkeit müsste ein PKW (m = 1t) auf das Raumschiff aufprallen, um den gleichen Impuls zu übertragen?