Physik compact, Basiswissen 8, Schulbuch

10 Einleitung bis diese ausreicht, dass die Elektronen das Metall ver- lassen können. Bei geringer Intensität erwartet man klassisch ein langsames Einsetzen des Photoeffekts. A1 Erkläre, warum die Versuchsergebnisse von Len- ard im Gegensatz zur klassischen Theorie stehen! Auflösung der Widersprüche zwischen der klassi- schen Erwartung und den Versuchsergebnissen von Lenard (Interpretation des äußeren Photoeffekts durch Einstein ): Licht fällt in Form von Lichtquanten auf das Metall auf. Jedem Lichtquant kommt eine von der Frequenz der Strahlung abhängige Energie zu. Zur Angabe dieser Energie verwendete Einstein einen Zu- sammenhang, den Max Planck im Jahr 1900 für Ener- giequanten angegeben hat: A2 Wiederhole Emission und Absorption von Licht! Wenn ein Lichtquant ein Elektron trifft, geht die Ener- gie des Photons über in kinetische Energie des Elek- trons. Sofern das Elektron das Metall verlässt, verrin- gert sich die kinetische Energie um die Austrittsarbeit W A des Elektrons aus dem Metall: Das ist jene Arbeit, die verrichtet werden muss, um ein Elektron aus dem Metall zu entfernen. Für die maximale kinetische Energie von Photoelekt- ronen ergibt sich wegen des Energieerhaltungssatzes nach Einstein: E k = h ∙ f – W A E k … kinetische Energie eines Photoelektrons h … Planck´sches Wirkungsquantum f … Frequenz der Strahlung W A … materialabhängige Austrittsarbeit A3 Gib an, wie der der kinetischen Energie entspre- chende Graph als Funktion der Frequenz aussieht! A4 Formuliere die Gleichung einer der Geraden aus Abb. 9.2! Gib die abhängige und die unabhängige Variable sowie den Achsenabschnitt auf der E k -Achse und den Anstieg in der gefundenen Gleichung an! Su- che diese Terme in der Abb. 9.2 und erkläre ihre physi- kalische Bedeutung. A5 Überprüfe mit den Daten aus Abb. 9.2 den Wert für das Planck´sche Wirkungsquantum h ! Bohr´sches Atommodell Quantenübergänge A6 Wiederhole Spektren, Spektralanalyse, Beugung des Lichts und Beugungsspektren! Problem: Die Linienspektren der Atome lassen sich mit klassischen Atommodellen nicht erklären. Die spektroskopische Untersuchung von Licht verschie- dener leuchtender Stoffe ergibt, dass jedes chemische Element Licht mit ganz charakteristischen Wellenlän- gen aussendet. Mit Hilfe von Spektralanalysen war es sogar möglich, neue Elemente zu identifizieren (zB Cäsium und Rubidium). A7 Beschreibe den in Abb. 10.2 dargestellten Teil des Wasserstoffspektrums! Was fällt dir auf? Innerhalb des sichtbaren Bereichs nehmen die Ab- stände zwischen den Linien zum kurzwelligen Ende hin ab. Johann Balmer ist es (1885) empirisch gelun- gen, einen mathematischen Zusammenhang für die Frequenzen der Linien dieser Serie zu finden. Bei der Untersuchung anderer Frequenzbereiche fand man weitere Serien innerhalb des Wasserstoffspektrums, die alle der gleichen Formel gehorchen: A8 Für n = 2 ergibt sich die Balmerserie. Weitere Se- rien des Wasserstoffspektrums heißen Lyman- ( n = 1), Paschen- ( n = 3) und Brackettserie ( n = 4). Ermittle die Frequenzbereiche, in denen diese Serien auftreten und ordne sie bekannten Bereichen zu! D Die Energie eines Lichtquants ist direkt proportional zur Frequenz des Lichts. E = h ∙ f E … Energie eines Photons h …Planck´sches Wirkungsquantum h = 6,6 ∙ 10 –34 J ∙ s f … Frequenz des Lichts Energie eines Lichtquants Abb. 10.1 Spektren verschiedener Stoffe Abb. 10.2 Balmerserie innerhalb des H-Spektrums 3,29 10 s f n m 1 1 2 2 15 1 $ $ = - - 8 B f … Frequenz 3,29 ∙ 10 15 s –1 … Rydberg-Frequenz n … 1, 2, 3, 4, … m … ganzzahlig, m > n Serien desWasserstoffspektrums BW7/S12 BW7/S13 Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv