Photoeffekt 06:03 min

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Transkript Photoeffekt

Hallo und herzlich willkommen zu einem Video über den Photoeffekt. Ich werde dir in diesem Video das Grundprinzip des Photoeffekts erklären. Dann werde ich darauf eingehen, warum sich der Photoeffekt nur n einem Teilchenbild und nicht in einem Wellenbild bescheiben lässt. Das einfachste Beispiel ist der sogenannte äußere Photoeffekt, den Einstein bereits 1905 richtig erklären konnte und 1921 den Nobelpreis bekam. Was passiert beim Äußeren Photoeffekt? Das Experiment zeigt folgendes: Laden wir ein Metall negativ auf und bestrahlen die Oberfläche des Metalls mit Licht. Wenn die Frequenz des Lichtes hoch genug ist, dann gibt das Metall sofort Elektronen ab. Wie kann man das nun physikalisch erklären?  Einstein erklärte das Ganze so: Hier habe wir eine negativ geladene Metallplatte. An der Oberfläche befinden sich die zusätzlichen Elektronen. Diese Elektronen sind mit der Bindungsenergie Wk gebunden und können ohne Hilfe nicht raus. Diese Bindungsenergie Wk, auch Austrittsarbeit genannt, muss mindestens überwunden werden, bevor das Elektron das Metall verlassen kann.   Jetzt bestrahlen wir die Metallplatte mit Licht. Wir gehen jetzt um das Phänomen zu erklären in das Teilchenbild. Im Teilchenbild besteht Licht aus einzelnen Energiepaketen der Energie e=h×f, wobei h das Planksche Wirkungsquantum ist und f die Frequenz des Lichts. Diese Energiepakete nennt man Photonen und nennt sie als Teilchen der Masse 0 und der Energie=h×f. was passiert nun, wenn ein solches Photonen auf eines dieser Elektronen trifft? Es gibt seine komplette Energie an das Elektron ab  und löst sich dabei auf. Das heißt, das Elektron hat jetzt zu seiner vorherigen Energie die Energie h×f bekommen. Welche Energie hatte es den vorher? Das Elektron ist mit der Bindungsenergie Wk in dem Metall gebunden. Diese Energie nennt man auch Austrittsarbeit, weil es die Arbeit ist, die mindestens a einem Elektron geleistet werden muss, bevor es austreten kann. Stellen wir doch einfach eine Energiebilanz auf. Vor der Wechselwirkung beträgt die Energie des Systems: Evor=-Wk+h×f. Das Elektron hat die Energie -Wk und das Photon die Energie h×f. Zur Erinnerung: Bindungsenergien sind immer negativ. Nach der Wechselwirkung hat das Elektron nur Kinetische Energie und das Photon ist verschwunden. Enach=Ekin,e^- Der Energieerhaltungssatz liefert uns nun sofort Einsteins berühmte Gleichung: Ekin,e^-=h×f-Wk Und das Wk ist dabei wie bereit öfters erwähnt die Austrittsarbeit. Da sie für jedes Metall spezifisch ist und in Tabellen nachgeschlagen werden kann. Das sieht einfach aus, nicht war? Im Teilchenbild ist das wirklich auch sehr einfach zu beschreiben. Warum funktioniert das nicht im Wellenbild? Das liegt daran, dass es eine Reihe widersprüchlicher Experiment gibt, die mit dem Wellenbild nicht vereinbar sind.  Das führte nur so ganz nebenbei, auch zur Entwicklung der Quantenmechanik. Aber nun zurück zu Beispiel 1. Als Kinetische Energie der frei werdenen Elektronen hängt nur von der Frequenz des Lichts ab, aber nicht von dessen Intensität. Im Wellenbild hängt die Energie des Lichts aber von ihrer Amplitude und damit auch von ihrer Intensität ab. Damit würde das Elektron bei höherer Intensität, also auch höherer Amplitude auch mehr Energie bekommen, tut es aber experimentell nicht. 2. Die Grenzfrequenz bei der der Photoeffekt gerade noch auftritt ist materialspezifisch. Also wenn h×f unter der Austrittsarbeit liegt, geht, egal wie hoch die Intensität ist, gar nichts. Und 3. die Freisetzung der Elektronen beginnt sofort bei Einfall des Lichts. Im Wellenbild würde auch unter der Arbeit zeitverzögert der Photoeffekt auftreten, weil die Energie erst nach und nach an ein Elektron übertragen werden könnte.  Das wird wie 2. und 3. jedoch nicht beobachtet. Daraus folgern wir, dass das Teilchenbild das akkurate Bild ist, um den Photoeffekt zu beschreiben. Im Video Photoeffekt, wie misst man das Planksche Wirkungsquantum, werden wir den Photoeffekt ausnutzen, um deine der wichtigsten Naturkonstanten überhaupt zu bestimmen. Noch eine kurze Wiederholung. Was passiert beim Photoeffekt? Hier kommt das Photon an und trifft auf ein Elektron auf der Oberfläche. Es bezahlt erst die Austrittsarbeit, bevor die restliche Energie in Form von kinetischer Energie übergeht. Das Grundprinzip dieses Effekts wird auch in Halbleitern ausgenutzt um z. B. Solarzellen zu bauen. Wie das geht, dazu werde ich sicherlich auch bald ein Video drehen. Damit bedanke ich mich und bis zum nächsten Mal.

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7 Kommentare
  1. Default

    Vielen Dank, das ist das beste Video, das es zu diesem Thema im gesamten Internet gibt!

    Von Brit 2, vor 12 Monaten
  2. Default

    danke auch wenn es so spät kommt :)

    Von Emmoplayer, vor fast 4 Jahren
  3. Nikolai

    @Emmoplayer: Der Wert bei deine Rechnung ist negativ weil du mit gerundeten Werten rechnest. Setzt du die genauen Werte ein kommt Null raus, wie es sein muss, denn dann reicht die Energie der Photonen gerade aus um die Austrittsarbeit zu überwinden. Zur Kontrolle geb ich dir mal die genauen Werte an:
    h=4,13566924*10^(-15)eV*s
    f=1,06391487*10^15Hz

    Von Nikolai P., vor fast 4 Jahren
  4. Default

    alles super verständlich und leicht erklärt :)!
    zu der beispiel aufgabe hätte ich jedoch noch eine frage .
    die formel lautet ja : Ekin : h x f- Wk
    eingesetzt:
    Ekin = 4.1x10hoch(-15)x 1.06x10hoch15-4.4=-0.054 eV

    nun zu der frage : warum ist der wert negativ? bzw es wurde ja im video erklärt das h x f größer sein muss als Wk um ein austritt zu ermöglichen ist es jedoch , aber nicht :/

    danke schon mal für die antwort :)

    Von Emmoplayer, vor fast 4 Jahren
  5. Default

    zu dem beispiel* // und sorry für keine groß-kleinschreibung

    mfg :)

    Von Emmoplayer, vor fast 4 Jahren
  1. Foto 41

    Du brauchtest 6 Minuten um mir das zu erklären, was mein didaktisch völlig unfähiger Lehrer seit unzähligen Stunden dem Physik-Grundkurs näher zu bringen versucht. Ich weiß nicht was ich sagen soll außer dass ich meinen Hut vor dir ziehe.

    Schade dass du bisher das Wasserstoffspektrum, die Röntgenstrahlung und den Franck-Hertz-Versuch nicht bearbeitet hast.

    Von Lena D., vor fast 6 Jahren
  2. Default

    super gut erklärt

    Von Deleted User 17673, vor fast 6 Jahren
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