Der Photoelektrische Effekt Anna-Maria Klingenböck und Sarah Langer 16.10.2012 Inhaltsverzeichnis 1 Das Licht Welle oder Teilchen? 1 2 Eine einfache Variante 2 3 Versuchsaufbau 3 3.1 1. Versuch............................... 3 3.2 2. Versuch............................... 4 4 Voraussage nach klassischer Physik 4 5 Ergebnisse 4 5.1 1. Versuch............................... 4 5.2 2. Versuch............................... 5 6 Bedeutung 5 7 Quellen 6 1 Das Licht Welle oder Teilchen? Diskussion über die Natur des Lichts im 17. bzw. 18. Jh.: Newton plädiert für Teilchenstrahl, da Ausbreitung nur geradlinig (damals noch keine Beugungseffekte bekannt); Newtons Autorität bestimmt die Meinung um 1800: Thomas Young zeigt mit dem Doppelspalt die Wellennatur des Lichts im 19. Jh.: Augustin Fresnel setzt geradlinige Ausbreitung des Lichts mit kleiner Wellenlänge in Zusammenhang erste Beobachtungen des photoelektrischen Effekts: Alexandre Edmond Becquerel 1839 Heinrich Hertz 1887 1
Wilhelm Hallwachs 1895 Max Planck postuliert Energiequantisierung 1900 als mathematische Lösung für die Schwarzkörperstrahlung Albert Einstein zieht dieses Postulat 1905 als Erklärung für den Photoeffekt heran 2 Eine einfache Variante Eine isolierte Metallplatte an Elektroskop wird negativ geladen: Bestrahlt man sie mit UV-Licht wird sie entladen, weil die überschüssigen Elektronen ausgeschlagen werden. Abbildung 1: Einfache Variante: Eine geladene Zinkplatte auf einem Elektrometer Selbe Metallplatte wird positiv geladen: Bestrahlt man sie wiederum mit UV- Licht wird sie nicht entladen. 2
Abbildung 2: Überprüfung, ob es mit positiv geladener Platte ebenfalls funktioniert 3 Versuchsaufbau 3.1 1. Versuch Abbildung 3: Aufbau Versuch 1 Aufbau s. Abb. 3: Stromkreis: Gleichstromquelle, Amperemeter, Photokathode, Ringanode; 3
3.2 2. Versuch Abbildung 4: Aufbau Versuch 2 Aufbau s. Abb. 4: Stromkreis: Kondensator, Aperemeter, Voltmeter, Photokathode, Ringanode; 4 Voraussage nach klassischer Physik Wellen transportieren Energie: < P >= < E > A 2 (1) t Die Leistung und somit die Energie ist proportional zum Quadrat der Amplitude der Welle. I = < P > A F l (2) klassische Vorhersage: Energie der Lichtwelle hängt nur von Amplitude der Welle, dh der Intensität, ab Zahl der ausgeschlagenen Elektronen sollte unabhängig von der Frequenz/Wellenlänge des Lichts sein, sondern nur von der Intensität abhängen; höchste kinetische Energie sollte für alle Frequenzen gleich sein; kleinere Instensität würde weniger Elektronen und kleinere kinetische Energien bewirken; ist das Licht zu schwach, sollten keine Elektronen ausgeschlagen werden, egal welche Frequenz das Licht hat. 5 Ergebnisse 5.1 1. Versuch Elektronen werden durch Photonen ab einer bestimmten materialabhängigen Frequenz aus der Photokathode geschlagen; ab dieser Frequenz hängt die Stromstärke von der Intensität des Lichts ab. 4
E = hν = hc λ (Einstein sche Gleichung für die Photonenenergie) 5.2 2. Versuch Elektronen werden wieder durch die Photonen (ab bestimmter Frequenz) herausgeschlagen und wandern zur Ringanode; dadurch lädt sich der Kondensator langsam auf und zwischen Anode und Kathode bildet sich ein Feld, das den Elektronen entgegenwirkt. Ab einer bestimmten Gegenspannung ist die kinetische Energie der Photonen nicht mehr groß genug, um die Ringanode zu erreichen. Ab dann fließt kein Strom mehr und die entsprechende Spannung kann durch kurzes Schließen des Schalters am Voltmeter abgelesen werden. Mit Hilfe von E P hoton = e U + E kin kann die kinetische Energie der Elektronen bestimmt werden. Aus der Beziehung E kin = hν W AUS kann ein Frequenz-Energie-Diagramm gezeichnet werden (s. Abb. 5). Daran kann die matrialabhängige Austrittsarbeit W AUS an der Energieachse abgelesen werden und das Wirkungsquantum h als Steigung des Grafen. Abbildung 5: Frequenz-Energie-Diagramm 6 Bedeutung Aus den Versuchen folgt, dass das Licht quantisiert auftritt. Dafür spricht, dass das Herausschlagen der Elektronen ohne Zeitverzug und erst ab einer bestimmten Frequenz auftritt. Das Ansammeln von Energie ist also nicht möglich. Die Intensität des Lichts bestimmt nur die Anzahl der herausgeschlagenen Elektronen und nicht deren kinetische Energie, die eben nur von der Frequenz abhängig ist. 5
1913/14 konnte Robert Andrews Millikan den experimentellen Nachweis für Einsteins Postulate erbringen. Einstein erhielt für seine Erklärung den Nobelpreis für Physik 1921. 7 Quellen Arroyo Camejo, Silvia: Skurrile Quantenwelt. Fischer Taschenbuch Verlag: Frankfurt am Main 2011 (3. Auflage). S. 41 ff. Demtröder, Wolfgang: Experimentalphysik 3. Kern-, Teilchen- und Astrophysik. Springer-Verlag: Berlin 2010 (4. Auflage). S. 84 ff. Haken, Hermann und Wolf, Hans Christoph: Atom- und Quantenphysik. Einführung in die experimentellen und theoretischen Grundlagen. Springer-Verlag: Berlin 2001 (7. Auflage). S. 62 ff. Tipler, Paul A. und Mosca, Gene: Physik für Wissenschaftler und Ingenieure. Spektrum Akademischer Verlag: Heidelberg 2009 (6. Auflage). S. 1325 ff. http://www.iap.uni-bonn.de/p2k/quantumzone/photoelectric.html http://www.renewable-energy-concepts.com/german/sonnenenergie/basiswissensolarenergie.html http://www.youtube.com/watch?v=0qkrof-gjz4 6