Sexl Physik 7, Schulbuch

Einstein schrieb in seiner 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 wenigs- tens zum Teil in kinetische Energie von Elektronen. Die einfachste Vorstellung ist die, dass ein Lichtquant seine ganze Energie an ein einziges Elektron abgibt … Außerdem wird anzunehmen sein, dass jedes Elektron beim Verlassen des Körpers eine (für den Körper charakteristische Arbeit [W] zu leisten hat …“ 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 5, S. 64) von den Elektronen zum Austritt aus der Ober- fläche aufgebracht werden muss ( 90.2 ). In den Jahren 1914–1916 überprüfte R OBERT A. M ILLIKAN , der 1910 die elektrische Elementarladung e bestimmt hatte, Einsteins Vorhersage. Er fand sie bestätigt ( 90.1 ). (Einsteins Vorhersage und Millikans Arbeiten wurden 1921 bzw. 1923mit 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 5, S. 76). Die elektrische Spannung U wurde als Quotient aus Arbeit W und transportierter Ladung Q definiert, U = W / Q (s. Physik 6, S. 97). Wenn ein Elektron oder Proton ( Q = 1 e = 1,602 · 10 −19 C) durch eine Spannung U = 1V beschleunigt wird, nimmt seine kinetische Energie um W = Q · U = 1 e · 1V = 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 Energie des Lichts bewegliche Ladungen geschaffen. Darauf beruhen die Lichtsensoren (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). Untersuche, überlege, forsche: Interpretiere 90.1 E 1 Welche Bedeutung hat die Steigung der Geraden in 90.1 ? 90.2 E 1 Gibt es materialabhängig eine kleinste Frequenz, unter der kein Photoeffekt beobachtet wird? Untersuche dies für Zink ( 90.2) ! ? Antwort auf die Eingangsfrage Oberhalb der Erdatmosphäre strahlt die Sonne mit einer Leistung von etwa 1,4 kW/m 2 . Satelliten brauchen elektrische Energie für die Bordelektronik, für Kom- munikation mit der Bodenstation, zur Übertragung von TV-Programmen, oder im Fall des Hubble-Teleskops auch zur Ausrichtung des Teleskops (s. Physik 6, S. 24). Große Solarmodule liefern den Strom. Das UV-Licht der Sonne und der „Sonnen- wind“ aus Protonen und Elektronen schädigen die Solarzellen, wodurch ihre Leis- tung abnimmt. Zusätzlich bewirkt der Photoeffekt auf der Sonnenseite der Satelli- ten eine positive Aufladung, während sich auf der Schattenseite negative Ladungen anhäufen: Elektrostatische Entladungen stören die Elektronik des Satelliten. -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 90.1 Die maximale kinetische Energie der ausgelösten Elektronen hängt linear von der Frequenz des eingestrahlten Lichts ab. Der Energiebetrag W wird benötigt, um die Elek- tronen aus dem Metall freizusetzen, er hängt vom Material ab. Material W in eV Cäsium 1,96 Natrium 2,28 Calcium 3,20 Zink 4,27 Eisen 4,63 90.2 Die Energie W gibt an, wie viel Energie zur Freisetzung eines Elektrons aus dem Metall erforderlich ist. „Dass Einstein in seinen Spekulationen gele- gentlich 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 „I therefore take the liberty of proposing for this hypothetical new atom which is not light but plays an essential part in […] radiation, the name photon.“ Der Chemiker Gilbert Lewis in einem Brief an das Wissenschaftsmagazin Nature, 1926 „This hypothesis may well be called reckless […] because it flies in the face of the thoroughly established facts of interference.“ Robert A. Millikan, 1914 90.3 Die Solarzellen von Hubble sind auch kleinsten Meteoriten ausgesetzt. 90 QUANTENPHYSIK Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv