Big Bang 7, Schulbuch

58 RG 7.2 G 7.2 Kompetenzbereich Quantenphysik relative Photonenenergie Wellenlänge in 10 –7 m Frequenz 10 14 Hz rot 1–1,2 6,5–7,5 4,0–4,6 grün 1,3–1,5 4,9–5,8 5,2–6,1 blau 1,5–1,8 4,2–4,9 6,1–7,1 UV-A 1,9–2,3 3,2–4,0 7,5–9,38 UV-B 2,3–2,7 2,8–3,2 9,38–10,7 Tab. 33.1: Relative Photonenenergie von sichtbarem und ultraviolettem Licht: Die niedrigste Energie von roten Photonen wurde mit 1 angenommen. Um Elektronen aus einer Zinkplatte zu lösen oder einen Sonnenbrand auszulösen, sind mindestens rund 10 15 Hz notwendig. Das ist nur bei UV-B-Licht der Fall. Zusammenfassung 1905 lieferte A LBERT E INSTEIN eine Erklärung für den Fotoeffekt. Er konnte rechnerisch belegen, dass man diesen dann schlüssig erklären kann, wenn Licht Teilcheneigenschaften besitzt. Diese Entdeckung leitete eine Revolution in der Physik ein. CCD und Digital-Kamera Analoge Kameras mit Film gehören praktisch der Vergan- genheit an. Gegenwart und Zukunft gehören den digitalen Kameras. Aber was wird bei diesen belichtet ( F14 )? Ein sogenanntes CCD , ein charge-coupled device (Abb. 33.18)! Am besten kann man das mit „ladungsgekoppelter Bauteil“ übersetzen. Ein CCD besteht aus einer Matrix von lichtemp- findlichen Punkten. Wenn eine Kamera zum Beispiel 24 Me- gapixel (also 24 Millionen Bildpunkte) hat, dann befinden sich auf dem CCD 6000 mal 4000 solcher Punkte. Die genaue Funktionsweise kann man nur im Rahmen der Halbleitertechnik erklären. Ganz grob gesagt wird dabei aber der Fotoeffekt ausgenutzt. Im CCD werden durch den Aufprall der Photonen Elektronen freigesetzt, die dann ge- messen werden können. Auf diese Weise kann man fest- stellen, welche Pixel belichtet wurden. Weil die Elektronen den Kristall nicht verlassen, spricht man in diesem Fall vom inneren Fotoeffekt. Die Austrittsarbeit in einem CCD ist so gering, dass der Effekt auch von sichtbarem Licht ausgelöst werden kann. i Abb. 33.18: Der CCD- Sensor in einer aufgeklappten Spiegelreflex- kamera Z Formel: Photonen-Energie E = h · f E … Photonenenergie [J] h … Planck’sches Wirkungsquantum [Js] h = 6,63·10 –34 Js f … Frequenz des Lichts [s –1 ] die die Photonen von sichtbarem Licht Gott sei Dank nicht besitzen. Sonst würdest du im Scheinwerferlicht einen Mordssonnenbrand bekommen. Die Photonen des UV-B- Lichts haben aber mehr Energie (siehe Tab. 33.1) und können deshalb deine Haut schädigen. F Fußball und die Einstein-Gleichung Das Herausschlagen von Elektronen aus einer Zinkplatte kann man mit einem Fußballstoß aus einer Grube verglei- chen (Abb. 33.16). Um den Ball herauszubekommen, ist eine bestimmte Austrittsarbeit notwendig, die von der Tiefe ( h ) und der Ballmasse ( m ) abhängt: W = m· g · h . Mit dem Fußtritt überträgst du Energie ( E ) auf den Ball, die sich durch das Hinaufrollen um die Austrittsarbeit verringert: E k = E – W . Wenn E kleiner ist als W , kann der Ball gar nicht aus der Grube rollen. Mit den Elektronen in der Zinkplatte ist es genauso. Um sie abzulösen, ist eine bestimmte Austrittsarbeit ( W ) notwen- dig. Von den aufprallenden Photonen bekommen die Elek- tronen die Energie E = h · f. Für die kinetische Energie der abgelösten Elektronen ergibt sich dann in Analogie zum Fußballstoß E k = E – W = hf – W . Das nennt man auch die Einstein-Gleichung, und sie passt perfekt zu den im Experi- ment gefundenen Ergebnissen. Ist die Energie der Photonen kleiner als die Ablösearbeit, dann kann das Elektron nicht herausgeschlagen werden – etwa bei einer Zinkplatte in normalem Licht. i Abb. 33.16: Um den Ball aus der Grube zu bekommen, ist eine Mindestenergie nötig. Bei den Elektronen in der Zinkplatte ist es ähnlich. Abb. 33.17: Frequenz der einfallenden Photonen und kinetische Energie der herausgeschlagenen Elektronen: Der Anstieg der Geraden ist ∆ E / ∆ f = h . Die Energie muss dazu von eV in J umgerechnet werden. Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv