Sexl Physik 7, Schulbuch

43 | -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 0 2 6 8 10 12 14 kinetische Energie der Photoelektronen in eV E kin Frequenz in 10 Hz f 14 Cs Ca Zn sichtbares Licht W 4 4 43.1 Die kinetische Energie der ausgelösten Elektronen hängt linear von der Frequenz des eingestrahlten Lichts ab. Der Energiebetrag W wird benötigt, um die Elektronen aus dem Me- tall frei zu setzen, er hängt vom Material ab. Material W in eV Cäsium 1,96 Natrium 2,28 Calcium 3,20 Zink 4,27 Eisen 4,63 43.2 Die Energie W gibt an, wie viel Energie zur Freisetzung eines Elektrons aus dem Me- tall erforderlich ist. „Dass Einstein in seinen Spekulationen ge- legentlich auch einmal über das Ziel hinaus- geschossen haben mag, wie z. B. in seiner Lichtquantenhypothese, wird man ihm nicht allzu sehr anrechnen dürfen. Denn ohne ein- mal ein Risiko zu wagen, lässt sich auch in der exaktesten Wissenschaft keine wirkliche Neuerung einführen.“ Max Planck, 1913 „This hypothesis may well be called reckless […] because it flies in the face of the tho- roughly established facts of interference.“ Robert A. Millikan, 1914 „I therefore take the liberty of proposing for this hypothetical new atom which is not light but plays an essential part in […] ra- diation, the name photon.“ Der Chemiker Gilbert Lewis in einem Brief an das Wissenschaftsmagazin Nature, 1926 43.3 Die Solarzellen von Hubble sind auch kleinsten Meteoriten ausgesetzt. Einstein schrieb in seiner bahnbrechenden Arbeit „Über einen die Erzeugung und Verwandlung des Lichts betreffenden heuristischen Gesichtspunkt“: „Nach der Auffassung, dass das [einfallende Licht aus Quanten der Energie E = h·f ] bestehe, lässt sich die Erzeugung von [Elektronen] durch Licht folgendermaßen auffassen. In die oberflächliche Schicht des Körpers dringen [Lichtquanten] ein, und deren Energie verwandelt sich wenigstens zum Teil in kinetische Energie von Elektronen. Die ein- fachste Vorstellung ist die, dass ein Lichtquant seine ganze Energie an ein einziges Elektron abgibt … Außerdem wird anzunehmen sein, dass jedes Elektron beim Verlas- sen des Körpers eine (für den Körper charakteristische) Arbeit [ W ] zu leisten hat …“ (Text geringfügig adaptiert) Damit sagte Einstein eine maximale kinetische Energie der Elektronen voraus: E kin = ½ m·v 2 < h·f – W. W ist die materialabhängige Austrittsarbeit, die analog zur Verdampfungswärme bei Flüssigkeiten (s. Physik 6, S. 36) von den Elektronen zum Austritt aus der Ober- fläche aufgebracht werden muss ( 43.2 ). In den Jahren 1914–16 überprüfte r oBert a. M illikan , der 1910 die elektrische Elementarladung e bestimmt hatte, Einsteins Vorhersage. Er fand sie bestätigt ( 43.1 ). (Einsteins Vorhersage und Millikans Arbeiten wurden 1921 bzw. 1923 mit dem Nobelpreis ausgezeichnet.) In Einsteins Photonenhypothese zeigt sich eine Grundfrage der Quantenphysik : Wie kann der offensichtliche Widerspruch zwischen den beiden Vorstellungen von Licht – Licht als Welle und Licht als Teilchen – aufgelöst werden? Das Elektronvolt – die passende Energieeinheit in der Atomphysik In der Atomphysik werden meist statt der SI-Einheiten kleinere problemangepasste Einheiten verwendet, z. B. die atomare Masseneinheit u (s. Physik 6, S. 9). Die elek- trische Spannung U wurde als Quotient aus Arbeit W und transportierter Ladung Q definiert, U = W / Q (s. Physik 5, S. 100). Wenn ein Elektron oder Proton ( Q = 1 e ) durch eine Spannung U = 1 V beschleunigt wird, nimmt seine kinetische Energie um W = Q·U = 1 e ·1 V = 1 eV = 1,602·10 –19 J zu. Dieser Energiebetrag heißt Elektronvolt ( eV ) . Äußerer und innerer Photoeffekt Wenn Elektronen wie im Experiment den bestrahlten Körper verlassen, spricht man vom äußeren Photoeffekt . Er wird z. B. im Photomultiplier (Photonenverviel- facher) zum Nachweis einzelner Photonen genutzt. Beim inneren Photoeffekt werden im Inneren von Halbleitern durch die Ener- gie des Lichts bewegliche Ladungen geschaffen. Darauf beruhen die Lichtsenso- ren (Halbleiterdetektoren), die Licht in Elektrizität umwandeln: Photowiderstände (lichtabhängige Widerstände), Photodioden (Solarzellen), Phototransistoren (Schal- ten mit Licht) und die Bildsensoren der Digitalkameras und Handys (CCD, CMOS; s. S. 98–99). Untersuche, überlege, forsche: Interpretiere 43.1 43.1 Welche Bedeutung hat die Steigung der Geraden? Welche Austrittsarbeit müsste eine Substanz haben, damit der Photoeffekt im Infraroten ( λ = 1000 nm) auftritt? Antwort auf die Eingangsfrage Oberhalb der Erdatmosphäre beträgt die mittlere Strahlungsleistung der Sonne etwa 1,4 kW/m 2 . Satelliten brauchen elektrische Energie für die Bordelektronik, für Kommunikation mit der Bodenstation, zur Übertragung von TV-Programmen, oder im Fall des Hubble-Teleskops auch zur Ausrichtung des Teleskops (s. Phy- sik 5, S. 90). Große Solarmodule liefern den Strom – das Hubble-Teleskop benötigt 2,8 kW , ein TV-Satellit 20 kW . Das UV-Licht der Sonne und der Teilchenstrom von der Sonne, der „Sonnenwind“ aus Protonen und Elektronen, schädigen die Kristall- struktur der Solarzellen, wodurch ihre Leistung abnimmt. Zusätzlich bewirkt der Photoeffekt auf der Sonnenseite der Satelliten eine positive Aufladung, während sich auf der Schattenseite negative Ladungen anhäufen: Elektrostatische Entla- dungen können besonders die Elektronik gefährden. Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv