Der Photoeffekt. Qualitative und quantitative Zusammenhänge

Inhaltsverzeichnis

Einleitung

1. Grundlegendes zum Photoeffekt
1.1 Grundversuch mit Elektroskop
1.2 Einfluss der Lichtintensität
1.3 Variation der Lichtfrequenz
1.4 Versuch von Lenard

2. Das Photonenbild
2.1 Auftretende Unvereinbarkeiten mit dem Wellenmodell des Lichts
2.2 Qualitative Aussagen der Lichtquantenhypothese
2.3 Deutung des Photoeffekts mit der Einsteinschen Gleichung

3. Quantitative Bestimmung des - Ekln~ Zusammenhangs
3.1 Versuchsidee und -aufbau
3.2 Darstellung der Messergebnisse
3.3 Austrittsarbeit, Grenzfrequenz und Planck-Konstante
3.4 Mögliche Fehlerquellen

Abschließende Gedanken

Literatur

Abbildungsverzeichnis

Einleitung

Zu Beginn des 20. Jahrhunderts erschienen zahlreiche Arbeiten zur Untersuchung und Deutung des photoelektrischen Effekts, auch lichtelektrischer oder kurz Photoeffekt genannt. Die gewonnenen Erkenntnisse „prägten stark die Entwicklung der Physik zu Beginn des 20. Jahrhunderts und trugen wesentlich zur Herausbildung der Quantentheorie bei“ (Lit. 4, S.7). Dies wird an der Vergabe der Nobelpreise für Physik in jener Zeit deutlich.

So erhielten neben den Deutschen Philipp Lenard im Jahre 1905, Max Planck 1918 und Albert Einstein (1879-1955, Abb. 1) 1921 auch die US-Amerikaner Robert Andrews Millikan 1923 und Arthur Holly Compton 1927 die Auszeichnung für ihre Beiträge zum Verständnis der lichtelektrischen Erscheinun- gen (vgl. Lit. 4, S.7 und Lit. 12).

Abbildung wurde für die Veröffentlichung entfernt.

Abbildung 1: Albert Einstein

Besonders Einstein, dem der Preis „für seine Ver-dienste um die theoretische Physik, besonders für seine Entdeckung des Gesetzes des photoelektrischen Effekts“ (Lit. 12) aus dem Jahre 1905 verliehen wurde, prägte die heutige Vorstellung von Licht entscheidend. Seine Theorie des Welle-Teilchen-Dualismus, die besagt, dass Licht sowohl Eigenschaften elektromagnetischer Wellen als auch klassischer Teilchen aufweist, wurde zwar anfangs von vielen anderen Physikern stark angezweifelt, konnte sich aber durchsetzen.

Ziel dieser Seminararbeit soll zum einen sein, experimentell zu zeigen, aufgrund welcher grundlegenden Phänomene des Photoeffekts eine, so Einstein: „tiefgehende Änderung unserer Anschauungen vom Wesen und von der Konstitution des Lichtes“ (Lit. 4, S.5) erforderlich war und wie diese im Detail aussah.

Zum anderen werden, von der „Einsteinschen Gleichung“ ausgehend, die quantitativen Zusammenhänge der verschiedenen Größen in einem komplexeren Versuch ermittelt und grafisch dargestellt.

1. Grundlegendes zum Photoeffekt

1.1 Grundversuch mit Elektroskop

Die nebenstehende Abbildung 2 zeigt Hg-Lampe den Aufbau eines Experiments zur qualitativen Unter- suchung der Vor- gänge beim photo- elektrischen Effekt. Eine Zinkplatte wird wie in der an- gegebenen Schal-

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2: Grundversuch mit Elektroskop - Aufbau

tung mit einem Elektroskop verbunden. Sie kann durch kurzes Antippen mit einem Me- tallstift, der an eine Hochspannungsquelle angeschlossen ist, sowohl negativ als auch po- sitiv geladen werden. Die daraus resultierende Aufladung des Elektroskops, das mit der Platte leitend verbunden ist, hat einen Ausschlag des Zeigers zur Folge. Ein paar Zenti- meter von der Platte entfernt wird eine geerdete Drahtspirale, alternativ auch ein Draht- gitter, aufgestellt.

In einigem Abstand dazu wird eine Quecksilberdampflampe (kurz: Hg-Lampe) platziert, deren Spektrum UV-Strahlung und sichtbares Licht umfasst.

Wird die Platte positiv geladen und anschließend mit dem Licht der Lampe bestrahlt, geht der Zeigerausschlag nicht zurück. Eine Entladung lässt sich erst bei einer negativen Vorladung der Platte beobachten.

Da die aus dem Metall ausgelösten Teilchen eine positiv geladene Platte nicht verlassen, d.h. sich von ihr entfernen, können, eine negativ geladene jedoch schon, muss es sich bei ihnen um negative Ladungsträger handeln. Aus der atomaren Struktur, dem Metallverbund, ausgelöst, werden sie von der Platte, die aufgrund ihrer negativen Ladung als Katode fungiert, abgestoßen und fliegen zur Drahtspirale (Anode), da diese geerdet ist und somit das elektrische Potenzial[Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] hat.

In den nächsten Kapiteln werden die Auswirkungen einer Variation der Intensität und Frequenz des verwendeten Lichts auf den beobachteten Prozess untersucht.

1.2 Einfluss der Lichtintensität

Genauere Messungen zur Entladung der Metallplatte lassen sich mit einem Elektroskop nicht durchführen, weshalb eine Abänderung der Versuchsanordnung aus Kapitel 1.1 vorgenommen wird (vgl. Abb. 3).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3: Einfluss der Lichtintensität - Versuchsaufbau

Eine hohe Saugspannung Us im /cV-Bereich wird zwischen Drahtspirale und Zinkplatte angelegt und sorgt dafür, dass die aasgelösten Teilehen zur Anode fliegen. Sie stellen einen Stromfluss dar, der über einen Mess Verstärker mit angeschlossenem Anzeigegerät registriert und dargestellt wird.

Verringert man den Abstand d zwischen Quecksilberdampflampe und Zinkplatte, erhöht sich die Lichtintensität / ~ ^ auf der Metallplatte. Es lassen sich bei Us = 1,0 kV die folgenden Werte für die Stromstärke / in Abhängigkeit von d messen:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Trotz kleiner Messungenauigkeiten ergibt sich für die Beziehung zwischen I und ݀:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die Anzahl ܰ der pro Zeiteinheit ausgelösten Ladungsträger der Ladung q, für die die Stromstärke I ein Maß ist [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten], ist also direkt proportional zur pro Fläche auf die Metallplatte fallenden Lichtleistung.

1.3 Variation der Lichtfrequenz

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 4: Variation der Lichtfrequenz - Versuchsaufbau

Wird in den Strahlengang des Versuchs aus 1.2 eine Glasscheibe gehalten (vgl. Abb. 4), die UV-Strahlung absorbiert, fließt unabhän- gig von der Position der Lampe und damit von der Lichtintensität kein Strom zwischen Zinkplatte und Drahtspirale. Dies zeigt, dass nur der UV-Anteil der von der Hg-Lampe emittierten elektromagnetischen Strahlung die Auslösung der negativen Ladungsträger herbeiführt.

Ultraviolettes Licht hat eine höhere Frequenz f und damit eine geringere Wellenlänge [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] als sichtbares Licht [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten].

Es existiert also eine obere Grenze [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] für die Wellenlänge [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] des Lichts der Hg-Lampe, deren Überschreitung, d.h. [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten], dazu führt, dass auch bei hoher Lichtintensität keine Entladung zu beobachten ist.

Experimente zeigen, dass der Wert von [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] je nach Material der verwendeten Metallplatte variiert. Um die verschiedenen Grenzwellenlängen genauer bestimmen zu können, kann, sofern sie im sichtbaren Bereich liegen, ein Glasprisma verwendet werden.

An diesem werden die verschiedenen Farben des Lichts der Quecksilberdampflampe, das zu- vor mithilfe einer Linse fokussiert wird, unter- schiedlich stark gebrochen (vgl. Abb. 5). Ver- schiebt man die Metallplatte im aufgefächerten Spektrum von violett nach rot, steigt die Wellen-

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 5: Lichtbrechung am Prisma

länge des auftreffenden Lichts an, bis [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] erreicht ist und kein Stromfluss, also keine weitere Entladung der Zinkplatte, mehr messbar ist. Die zugehörigen Wellenlängenbereiche der einzelnen Lichtfarben sind bekannt.

1.4 Versuch von Lenard

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 6: Versuch von Lenard - Aufbau

Philipp Lenard (1862-1947) gelang es im Jahr 1900 mit der obigen Versuchsanordnung (Abb. 6), deren Prinzip im Anschluss erklärt wird, die Identität der negativen Ladungs- träger durch Bestimmung ihrer spezifischen Ladung [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] zu ermitteln.

Durch die UV-Strahlung aus dem Metall ausgelöst, werden die negativen Ladungsträger im elektrischen Feld mit der Kraft [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] aus der Ruhe heraus beschleunigt. Die kinetische Energie¹ [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] Teilchen nach dem Durchlaufen der Beschleunigungsspannung [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] im elektrischen Feld entspricht der durch das Feld verrichteten Arbeit ܹ[Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten].

Für ihre Geschwindigkeit beim Durchfliegen der Anode gilt deshalb:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die negativen Ladungsträger fliegen im Anschluss in ein magnetisches Feld, indem sie nach der „Drei-Finger-Regel“ abgelenkt werden.

Ursache dafür ist die Lorentzkraft [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten], die senkrecht auf in einem Magnetfeld bewegte Ladungsträger und als Zentripetalkraft [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] wirkt.

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