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Transkript Leitung im Vakuum Glühemission Fotoemission

Hallo, ich bin euer Physik Siggi. Heute werde ich euch etwas über die Leitung im Vakuum erzählen. Dabei werdet ihr die Glühemission und die Fotoemission kennenlernen. Gut wäre dafür ein Verständnis vom Strom und ihr solltet schon mal gehört haben, was Ladungen sind und wie sie aufeinander wechselwirken.  Die Ladungen finden wir im Atom. Es gibt 2 Arten von Ladungen, die positive und die negative. Die bekannteste negative Ladung ist das Elektron. Das Elektron ist ein Teil des Atoms. Es ist negativ geladen und kreist um den Kern. Der Kern des Atoms ist positiv geladen. Zusammen ist das Atom dann in der Regel neutral, also weder positiv noch negativ. Wird dem Atom ein Elektron entzogen, so ist es im Gesamten ein Mal positiv geladen. Dieses Atom ist dann eine positive Ladung. Wenn wir ein Elektron dazutun, ist das Atom natürlich negativ geladen. Wir betrachten im Folgenden aber nur negative Ladungen und da auch nur das Elektron.  Können sich Elektronen frei in einem Stoff bewegen, so ist der Stoff ein Leiter. Man sagt, es fließt ein elektrischer Strom. Wie zum Beispiel bei den Metallen. Dort ist dies möglich. Man kann sich das so vorstellen, dass manche Elektronen stärker und manche schwächer mit dem Kern verbunden sind. Je stärker sie gebunden sind, desto größer ist ihre Bindungsenergie. Je schwächer sie gebunden sind, desto geringer ist ihre Bindungsenergie. Bei manchen Elektronen ist die Bindungsenergie so gering, dass sie sich frei von einem zum nächsten Atom bewegen können, also leiten. Jedoch ist die Bindungsenergie noch stark genug, sodass die Elektronen im Metall bleiben. Gibt man dem Metall nun eine weitere Energie, so kann diese Energie ein Elektron aufnehmen und es so nutzen, dass es die letzte Bindung überwinden kann. Nun kann es sich vom Metall lösen. Das Elektron ist dann frei. Ihr könnt euch das so vorstellen wie bei euch zu Hause. Zwischen euch und euren Eltern ist eine Bindungsenergie. Ihr seid das Elektron, die Eltern sind der Kern. Zuerst seid ihr fest an die Eltern gebunden. Jeden Tag. Mit zunehmendem Alter steigt eure Freiheitsenergie, die Energie von außen, sodass ihr vielleicht schon auf den Spielplatz geht. Jedoch ist die Bindung zu euren Eltern noch groß genug, dass ihr immer in ihrem Umfeld seid. Jetzt könnt ihr euch von einem Atom zum nächsten bewegen, seid aber trotzdem noch im Schutz des Metalls. Irgendwann ist die Freiheitsenergie von außen so groß, dass sie größer ist als die Bindungsenergie der Eltern. Und ihr zieht aus. Nun könnt ihr euch frei bewegen. Zurück zum Elektron. Ist außerhalb des Metalls Luft, so würde das Elektron gleich wieder eine Bindung mit einem Luftmolekül oder Ähnlichem eingehen. Ist allerdings Vakuum außerhalb des Metalls, also nichts, so ist es frei und kann nun von einer positiv geladenen Platte angezogen werden. Diese Platte nennen wir Anode. Sie ist zum Beispiel mit dem Pluspol einer Batterie verbunden. Der Minuspol ist mit dem Metall verbunden, aus dem das Elektron befreit wurde. Diese Platte wird Kathode genannt. Ihr wisst bereits, dass positive Ladung die negative Ladung anzieht und gleichnamige Ladungen sich abstoßen. Also zieht die positive Anode das freie Elektron an. Sie zeiht auch die negative Kathode an, allerdings halten wir diese fest. Sie ist fest mit einem Glaskolben, in dem sich auch das Vakuum befindet, verbunden. Das Elektron fliegt also zur Anode und das Vakuum ist ein Leiter, da sich dort Ladung bewegt hat. Es fließt dort also ein Strom. Diese Bewegung können wir mit einem Strommessgerät messen.  Damit die Elektronen aus dem Metall raustreten, muss da aber von außen eine Energie Eaußen in das Metall gebracht werden. Es gibt nun 2 Arten dieser Energie. Man kann eine Heizung an das Metall legen. Dann wird Wärmeenergie an die Kathode übertragen und das Elektron kann austreten. Das Austreten wird als Emission bezeichnet. Und diese Art, wegen der Heizung, als Glühemission. Die 2. Art heißt Fotoemission. Hier wird die Platte mit Licht bestrahlt. Es wird also Lichtenergie an die Elektronen übertragen, sodass sie austreten können, man sagt auch emittieren können. Damit die Elektronen austreten können, muss ja die Bindungsenergie zum Kern überwunden werden. Also muss die Energie von außen größer sein als die Bindungsenergie zum Kern. Die Energie, die dem Elektron dann noch bleibt, ist die Energie, die es vom Licht bekam minus die Energie, die es benötigte, um sich vom Kern zu lösen. Dies ist die berühmte Einsteingleichung. Die Energie vom Licht ist das plancksche Wirkungsquantum h mal seine Sequenz f. Die Bindungsenergie könnt ihr in den Büchern für alle Metalle finden. Die Einheit der Energie ist wie gewohnt Joule. Ein Elektron kann sich also mit Hilfe von Licht oder mit Hilfe von Wärme aus dem Metall lösen. Wenn es dann von einer positiven Platte angezogen wird und sich im Vakuum befindet, so fließt ein Strom. Wir haben eine Leitung im Vakuum.  Vielen Dank für die Aufmerksamkeit.

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