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Fotoeffekt 07:16 min

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Transkript Fotoeffekt

Fotoeffekt

Hallo. In diesem Video sprechen wir über den Fotoeffekt oder äußerer lichtelektrischer Effekt genannt. Dabei sprechen wir nicht mehr von Licht als Wellenerscheinung, sondern von Lichtquanten oder auch Photonen.

Wie du vielleicht schon weißt, wird bei der Wechselwirkung von Licht mit Materie die Energie nicht kontinuierlich, sondern portionsweise übertragen. Man sagt, die Lichtenergie ist “gequantelt”, also portioniert. Heute wollen wir klären, wieviel Energie diese Lichtquanten haben. Dazu werden wir uns die Gegenfeldmethode anschauen, um den Zusammenhang von Frequenz und Energie zu untersuchen.

Bei der Beleuchtung von Fotopapier hat sich bereits ein erster Zusammenhang gezeigt: Blaues Licht belichtet das Papier, wohingegen bei rotem Licht nichts passiert. Die Energieübertragung scheint demnach mit der Farbe des Lichtes, also seiner Wellenlänge bzw. seiner Frequenz, in Verbindung zu stehen.

Um diesen Zusammenhang genauer zu untersuchen hat man die sogenannte Gegenfeldmethode entwickelt. Eine Fotozelle befindet sich in einer evakuierten Röhre und wird mit Licht einer bestimmten Frequenz bestrahlt. Das Licht kann durch die gitterförmige Anode hindurch auf die kalium-beschichtete Kathode fallen. Durch die Bestrahlung werden in diesem Fall nun Elektronen aus der Kathode herausgelöst und beschleunigt. Dieser Effekt ist der äußere lichtelektrische oder auch Foto-Effekt.

Die beschleunigten Elektronen werden von der Anode aufgefangen und man kann über ein Amperemeter den Fotostrom zwischen Anode und Kathode messen. Interessant hierbei ist, dass je näher die Lichtquelle an der Fotozelle ist, desto größer ist der Fotostrom. Wir schlussfolgern also: Mit zunehmender Lichtintensität steigt die Anzahl der ausgelösten Elektronen. Aber Achtung: Wir haben damit noch keine Aussage über die Energie der Elektronen.

Deshalb nutzt man den Gegenfeldtrick. Zwischen Anode und Kathode wird eine regelbare Gegenspannung angelegt, die der Elektronenbewegung entgegenwirkt. Durch das Gegenfeld kommen nur noch Elektronen mit maximaler kinetischer Energie durch. Diese Gegenspannung stellt man genau so ein, dass der Fotostrom gerade zum Erliegen gekommen ist.

Jetzt ist die Energie des elektrischen Gegenfeldes gerade so groß, wie die maximale kinetische Energie der Elektronen. Mit der Energie des Elektrischen Feldes gleich Elektronenladung mal Spannung kann man nun aus dem Wert der Gegenspannung direkt die kinetische Energie der Elektronen bestimmen. Diesen Vorgang wiederholen wir nun mit verschiedenen Frequenzfiltern, da wir ja vermutet haben, dass die Energie der Photonen von der Lichtfrequenz abhängt. Und unsere Vermutung wird bestätigt.

Tragen wir die Wertepaare in ein Frequenz-Energie-Diagramm ein, so zeigt sich eine eindeutige Proportionalität zwischen der kinetischen Energie der Elektronen und der Frequenz des Lichtes. Um eine vollständige Geradengleichung zu schreiben, brauchen wir noch zwei wichtige Größen: den Anstieg und den Ordinatenabschnitt. Den Ordinatenabschnitt erhalten wir, wenn wir die Gerade bis zur senkrechten Achse verlängern. Dieser Wert W_A ist die sogenannte Austrittsarbeit oder auch Ablösearbeit genannt.

Diese Energiedifferenz muss mindestens aufgebracht werden, um überhaupt Elektronen aus der Kathode herauszulösen. Die Austrittsarbeit ist ein charakteristischer Wert für jedes Material. Für Kalium beträgt der Wert rund 2,25 Elektronenvolt für Kupfer dagegen fast das Doppelte. Für Kupfer verschiebt sich also die Gerade nach unten.

Interessant dabei ist, dass der Anstieg der Geraden immer konstant bleibt. Dieser konstante Wert ist das nach Max Planck benannte Plancksche Wirkungsquantum h. h beträgt rund 6,626 mal Zehn hoch minus 34 Joulesekunden und ist eine wichtige Naturkonstante. Es beschreibt das Verhältnis von Energie und Frequenz bei elektromagnetischer Strahlung.

Letztendlich ergibt sich also folgende Geradengleichung: Die kinetische Energie der Elektronen ist gleich dem Planckschen Wirkungsquantum mal der Frequenz abzüglich der Austrittsarbeit.

Das Produkt h mal f ist dabei die Energie eines Photons. Stellen wir die Gleichung danach um, sehen wir, dass die Energie eines Photons h mal f gleich der kinetischen Energie des herausgelösten Elektrons plus die dafür notwendige Austrittsarbeit ist. Ein einzelnes Lichtquant überträgt also seine komplette Energie auf ein einziges Elektron im Material und kann es so herauslösen und beschleunigen. Die Geradengleichung ist auch als Einsteinsche Gleichung bekannt, da Albert Einstein derjenige war, der die Theorien von Max Planck erweiterte und auf die Wechselwirkung von Licht und Materie bezog. Seine Interpretation des Fotoeffektes war einer der Grundsteine für die heutige Quantentheorie und Einstein wurde dafür im Jahre 1921 mit dem Nobelpreis für Physik geehrt.

Ok, was können wir nun über den Fotoeffekt sagen?

Der Fotoeffekt beschreibt das Herauslösen und Beschleunigen von Elektronen aus einer metallischen Oberfläche durch Lichteinstrahlung. Dabei ist die kinetische Energie der Elektronen nicht von der Intensität des Lichtes, sondern von dessen Frequenz abhängig. Mit Hilfe der Gegenfeldmethode können wir über die gemessene Gegenspannung die kinetische Energie der herausgelösten Elektronen bestimmen. Die kinetische Energie ist nach der Einsteinschen Gleichung die Energie der Photonen h mal f abzüglich der Austrittsarbeit W_A. Diese experimentelle Bestätigung der Photonenenergie h mal f war ein Grundstein für die heute aktuelle Quantentheorie elektromagnetischer Strahlung.

Also dann, bis zum nächsten Mal. Tschüß!

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