Physik compact, Basiswissen 8, Schulbuch

9 C Photoeffekt – Licht hat eine Doppelnatur Photoeffekt – Licht hat eine Doppelnatur Problem: Licht kann aus Metallplatten Elektronen herausschlagen. Die klassische Physik kann diese Er- scheinung nicht in Übereinstimmung mit den Mes- sungen erklären. Die erste Wechselwirkung zwischen Licht und Elektronen, die erforscht wurde, betrifft den „äußeren lichtelektrischen Effekt“ (photoelectric effect) der 1888 von WilhelmHallwachs imAnschluss an Be- obachtungen von Heinrich Hertz entdeckt wurde. A1 Überlege, wie man experimentell ausschließen kann, dass durch das Licht positive Ladungsträger auf die Platte gebracht werden! A2 Überlege, wie man experimentell ausschließen kann, dass durch das Licht in der Luft durch Ionisati- on Ladungsträger erzeugt werden, die zu einer Entla- dung der Zinkplatte führen! C Philipp Lenard (Nobelpreis 1905) und Joseph John Thomson (Nobelpreis 1906) identifizierten die austre- tenden Ladungen experimentell als Elektronen. Lenard hat die kinetische Energie der austretenden Elektronen (Photoelektronen) in Abhängigkeit von Frequenz und Intensität des Lichts sowie der Art des Metalls untersucht (Abb. 9.2). Die Versuche von Lenard haben ergeben: 1. Der Photostrom setzt erst ab einer vom Material der Photokathode abhängigen Mindestfrequenz des Lichts ein. Weist Licht diese Mindestfrequenz auf, so setzt die Entladung sofort ein. 2. Der Photostrom wächst mit der Intensität des Lichts. Licht unterhalb der Mindestfrequenz kann hingegen auch bei noch so hoher Intensität keinen Photostrom auslösen. 3. Die kinetische Energie der Photoelektronen wächst mit der Frequenz des Lichts. Sie ist unabhängig von der Intensität des Lichts. A3 Versuche die obigen Aussagen (1-3) mit Hilfe des Diagramms von Abb. 9.2 zu begründen! Welche Aus- sage findet keinen Niederschlag in der Abbildung? A4 Gib an, was eine Welle transportiert! A5 Wiederhole, wovon die Energie einer Welle(nstrahlung) abhängt! Der äußere lichtelektrische Effekt ist vom Standpunkt der klassischenWellentheorie der elektromagnetischen Strahlung schwer verständlich. Nach klassischer Auffas- sungmüsste sichdieWellenenergie über alle Elektronen gleichmäßig verteilen. Demnachwürden die Elektronen aus der Strahlung langsamsolange Energie aufnehmen, Abb. 9.1 Versuchsanordnung zum äußeren lichtelektri- schen Effekt. 1. Die Oberfläche einer Zinkplatte wird poliert, damit die Oxidationsschicht abgetragen wird, wo- bei metallisches Zink freigelegt wird. Die Zinkplat- te wird auf ein Elektroskop gesteckt und negativ geladen. Man beleuchtet sie mit dem Licht einer Quecksilberdampflampe. Beobachtung: Bestrahlt man die negativ gelade- ne Platte mit dem Licht einer Quecksilberdampf- lampe, so tritt eine Entladung der Platte auf. Interpretation: Negative Ladung verlässt die Platte. 2. Der erste Versuch wird wiederholt. Dabei wird zwischen Zinkplatte und Quecksilberdampflampe zuerst eine Glasplatte und dann ein UV-Filter ein- gebracht. Die Glasplatte absorbiert UV-Licht, das UV-Filter lässt nur UV- Licht durch. Beobachtung: Nur bei Bestrahlung mit UV-Licht tritt eine Entladung der Zinkplatte auf. Versuche Lichtelektrischer Effekt UV-Lichtquelle negativ geladene Zinkplatte Elektroskop entlädt sich Bestrahlt man Metallplatten (zB Zink) mit UV-Licht, so werden aus dem Metall Elektronen herausgelöst. Äußerer Photoeffekt -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 0 2 4 6 8 12 14 16 18 kinetische Energie der Photoelektronen in eV E k Frequenz in 10 Hz f 14 Cs Zn Ag sichtbares Licht W A 10 Abb. 9.2 Das Diagramm zeigt die kinetische Energie der Photoelektronen als Funktion der Frequenz des Lichts für ver- schiedene Metalle. Es ist bemerkenswert, dass der Anstieg der Geraden für alle Materialien gleich groß ist. Die strichlierten Geraden stellen nicht Messwerte dar, sondern ergeben sich durch Extrapolation. In dem von einer strichlierten Geraden erfassten Frequenzbereich reicht die Photonenenergie nicht aus, um Elekt- ronen aus dem entsprechenden Stoff abzulösen. BW6/S47 Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv