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Äußerer Fotoeffekt und Lichtquanten

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Kalo
Äußerer Fotoeffekt und Lichtquanten
lernst du in der 11. Klasse - 12. Klasse

Beschreibung Äußerer Fotoeffekt und Lichtquanten

In diesem Video lernst du, wie mit der Erweiterung der Planckschen Quantenhypothese auf die Ausbreitung von Licht der (äußere) Fotoeffekt erklärt werden kann. Der Fotoeffekt, also das herauslösen von Elektronen durch die Bestrahlung mit Licht, wurde bereits früh entdeckt. Jedoch stellte man bei der näheren Untersuchung fest, dass sich der Fotoeffekt nicht mit Hilfe des Wellenmodells des Lichtes beschreiben lässt. Erst Einstein und Planck lieferten mit der Quantenhypothese eine Erklärung für dieses Phänomen.

Transkript Äußerer Fotoeffekt und Lichtquanten

Fotoeffekt und Lichtquanten Hallo und herzlich willkommen! Ich gebe hier eine kurze Einführung in die experimentell entdeckten Probleme, die Anfang des 20. Jahrhunderts zur Entstehung der Quantenphysik führten. Du solltest die Konzepte physikalischer Arbeit und Energie kennen, das elektrische Feld eines Plattenkondensators, das Verhalten geladener Teilchen im elektrischen Feld und mit den grundlegenden Eigenschaften elektromagnetischer Wellen vertraut sein. Als Heinrich Hertz 1886 das Verhalten geladener Körper untersuchte, experimentierte er auch mit Beleuchtung und stellte fest, dass er mit Licht geladene Elektroden entladen konnte. Sein Schüler Wilhelm Hallwachs untersuchte das Phänomen genauer, indem er 2 Elektroden im Vakuum verwendete, zwischen denen er eine Spannung anlegte. Wenn er den negativen Pol der Anordnung mit Licht bestrahlte, ließ sich ein Stromfluss nachweisen. Spätere Versuche ergaben, dass sogar ohne äußere Spannung ein kleiner Strom floss, sobald man eine der Elektroden beleuchtete. Nachdem 1897 die Überzeugung gereift war, dass Träger des Stromflusses Elektronen seien, lag es nahe zu vermuten, dass das Licht aus der Elektrode Elektronen freisetzte, die als Strom fließen konnten. Weil der Strom umso stärker floss, je stärker das Licht war, ergab sich als einfache Erklärung, dass das Licht Energie auf die Atome der Elektrode übertragen müsste, diese dadurch in Schwingung versetzte, bis sich Elektronen lösen und herausfliegen konnten. Das schien sehr gut zum Wellenmodell des Lichts zu passen, denn damit ließ sich ja die Anregung von Schwingungen gut verstehen. Aber etwas blieb vollkommen unverständlich. Man musste nämlich feststellen, dass nur Licht oberhalb einer bestimmten Frequenz den Stromfluss ermöglichte. Außerdem ergaben die Experimente, dass die Bewegungsenergie der freigesetzten Elektronen gar nicht von der Lichtstärke abhing. Sie war außerdem auch viel zu hoch, sodass sie nicht mit dem Wellenmodell des Lichts erklärt werden konnte. Stattdessen war diese Energie von der Frequenz des Lichtes abhängig. Deshalb musste also der Fotoeffekt, oder auch äußerer lichtelektrischer Effekt genannt, den ich hier noch einmal kurz rekonstruiert habe, mit einer neuen Theorie erklärt werden. Max Planck hatte im Jahr 1900 bei der Erforschung von Strahlungsemission eine Revolution der Physik in Gang gesetzt, weil er entdeckte, dass die Energie schwingender Teilchen nicht jeden beliebigen Wert, sondern nur stufenweise verschiedene Werte annehmen konnte, und dass die Größe dieser Stufen der Frequenz der Schwingung direkt proportional war. Als Proportionalitätsfaktor bestimmte er eine Konstante h, die später das Plancksche Wirkungsquantum genannt wurde. Sie beträgt etwa 6×10^-34 Js (Joulesekunden). Man bezeichnet seitdem die Energie als gequantelt, also so viel wie portioniert. Albert Einstein war es, der 5 Jahre später 1905 die Erklärung dafür fand, warum die Energie der beim Fotoeffekt freigesetzten Elektronen von der Frequenz des Lichtes abhing. Er kannte natürlich Plancks Formel und war so kühn, sie anzuwenden, was allerdings dazu führte, dass man sich das Licht nun ebenfalls portioniert oder gequantelt denken sollte. Alle nachfolgenden Experimente bewiesen aber, dass diese Vermutung richtig war. Und Einstein erhielt 16 Jahre später den Nobelpreis für diese Arbeit. 1923 wurden diese Lichtquanten dann Photonen getauft, und so heißen sie noch heute, in Analogie zu Bezeichnungen wie Elektronen oder Neutronen oder Protonen. Mit der Quantenhypothese wurde plötzlich erklärbar, warum die Freisetzung der Elektronen von der Frequenz des Lichtes abhing. Klar war ja, dass eine Mindestenergie aufgewandt werden musste, um die Elektronen aus dem Atomverband herauszuschießen. Denn dafür musste eine sogenannte Ablösearbeit geleistet werden. Bei verschiedenen Materialien bedarf es wegen der Besonderheiten der Elektronenkonfigurationen verschiedener Maße an Ablösearbeit. Und genau hier fügte sich Plancks geniale Idee ein. Wenn die Energie eines Lichtquants zu niedrig lag, konnte das Elektron nicht herausgeschossen werden. Erst, wenn das Produkt von Wirkungsquantum und Frequenz größer war als das Maß der Ablösearbeit am Atomverband, konnte ein Elektron durch ein Photon freigesetzt werden. Einstein war von Anfang an klar, dass ein Elektron nur von genau einem Photon freigesetzt werden konnte. Mit einem Treffer oder gar nicht war hier die Devise. Der Teil der Photonenenergie, der beim Ablösen nicht umgesetzt wurde, wurde in kinetische Energie des Elektrons umgewandelt. Damit war auch erklärt, warum die Energie der freigesetzten Elektronen mit der Frequenz anstieg. Je höher die Frequenz der Lichtstrahlung, desto energiereicher die Photonen, und desto mehr Energie blieb nach der Ablösung aus dem Atomverband übrig, um als kinetische Energie des Elektrons zu erscheinen. Mit dieser Theorie wurde die Quantenphysik begründet. Was hier von Anfang an nicht leicht zu verstehen war, ist es auch heute noch nicht. Weil Licht Erscheinungen von Beugung und Interferenz aufweist, muss es ja Wellencharakter haben. Aber für die detaillierte Erklärung des Fotoeffekts muss es in Portionen ausgestrahlt werden, in Quanten. Wellen sind doch aber kontinuierlich. Und nun sollten beide Aspekte sogar eindeutig miteinander verknüpft sein. Die Frequenz der kontinuierlichen Welle bestimmt die diskontinuierliche Energieportion der Strahlung, die so wie Teilchen erscheint. Schon in der Relativitätstheorie fällt es uns schwer, die elementaren Konzepte noch in Analogie zu unserer Erfahrung verstehen zu können. Hier bei der Quantenphysik hört es nun völlig auf. Der amerikanische Physiker Richard Feynman, der in den 60er Jahren populäre Vorlesungen hielt, sagte seinem Publikum einmal: "Ich werde die Quantenphänomene nicht in Begriffen einer Analogie mit etwas Vertrautem beschreiben. Ich werde sie einfach beschreiben. Fragen Sie nicht dauernd: Aber wie ist das denn möglich? Denn das führt in eine Sackgasse, aus der noch keiner wieder herausgekommen ist. Niemand weiß, wieso es so sein kann, wie es ist." Er ermutigt uns damit zu einer Haltung, den mathematischen Modellen zu trauen, solange sie mit den experimentellen Ergebnissen übereinstimmen, selbst wenn wir keine irgendwie vertraute Vorstellung mit ihnen verbinden können. Fassen wir noch einmal kurz zusammen: Man kann sagen, dass die Erklärung des Fotoeffekts mit dem Wellenmodell des Lichtes nicht möglich war. Denn die Energie, die man an den freigesetzten Elektronen gemessen hatte, war viel zu hoch, um aus der angeregten Schwingung zu stammen. Außerdem war unerklärlich, warum unterhalb einer gewissen Lichtfrequenz gleich gar kein Effekt auftrat. Die Übertragung der Quantenhypothese, die Max Planck für die Emission von Wärmestrahlung postuliert hatte, nun auf die Ausbreitung des Lichts brachte hier den Durchbruch. Licht besteht nach ihr aus Strahlungsquanten, den Photonen, deren Energie von der Frequenz des Lichtes abhängt. Ein Elektron kann nur dann aus dem Atomverband herausgeschlagen werden, wenn es von genau einem Photon getroffen wird, das mehr Energie hat, als zur Ablösung aus dem Verband nötig ist. Die darüber hinaus verfügbare Photonenenergie wird in Bewegungsenergie des freigesetzten Elektrons umgewandelt. Ich hoffe, ich konnte dich ein bisschen neugierig machen auf die Feinheiten der Quantenphysik. Bis zum nächsten Video!

5 Kommentare

5 Kommentare
  1. Liebe Nooouura1980,
    das wird sich leider nicht so glatt auflösen lassen, wie Du Dir womöglich wünschst: was tut man denn bei Untersuchungen von Größen des elektrischen Feldes, dessen Stärke, wie Dir sicher erinnerlich ist, mit dem Formelzeichen E benannt wird? Wie bezeichnet man hier die Energie? Auch mit E? Nicht möglich. Darum ist das "W" noch nicht ausgestorben, die Elektrophysik kann es nicht loslassen.
    Aber das ist auch kein Problem. In Deinem LK wird hoffentlich physikalisches Denken auf einem Niveau geübt, auf dem die bloßen Zeichen nicht mehr verwirren, denn jenseits der Schulphysik muß der sachliche Kontext und der Zusammenhang der relevanten Gleichungen den Sinn tragen. Wen die Formelzeichen irritieren, dem bleibt leider nur: üben, üben, üben ... (So paukerhaft sich das anhören mag, leider!).

    Vorschlag einer Denkübung: Wie wird z. B. kausale Verursachung in der Physik dargestellt?

    Von Kalo, vor mehr als 5 Jahren
  2. Muss mich puco anschließen, auch im Physik LK nutzt man fortlaufend den Energie E und den Kraft F Ansatz. Es gibt schon genügend verwirrende Doppelbelegungen der kleinen wie großen Buchstaben, sodass man sich zum Ende hin nur noch an sein Tafelwerk klammern möchte. Euer Weg der Darstellung ist nachvollziehbar, jedoch auch gleichzeitig verwirrend. Hier melden sich Schüler und Studenten an, die Hilfe brauchen und da sollte man sich an gängige Darstellungen halten, die man auch bei einem Blackout mal schnell im Tafelwerk nachblättern kann

    Von Nooouura1980, vor mehr als 5 Jahren
  3. @Puco
    In der Schule verwendet man die Arbeit immer dann, wenn man die Veränderung eines Energiewertes beschreiben möchte. Wie kalo auch selbst beschrieben hat. Es kommt daher auf den Blickwinkel an

    Hierzu ein einfaches Beispiel:
    Eine Masse die auf dem Tisch steht, besitzt diese eine gewisse Energie E. Es wird aber keine Arbeit W verrichtet, da sich dieser Energiewert nicht verändert.

    Kalo geht aber bei seinem Video davon aus, das das Elektron in der Lage ist seine kinetische Energie zu übertragen und setzt daher beide Größen gleich. Das ist in der Fachwissenschaft auch häufig der Fall und auch richtig.

    Merke dir aber für die Schule:
    Energie beschreibt einen statischen Wert. (Zustandsgröße)
    Arbeit ist die Veränderung dieses Wertes durch Energieabgabe und -aufnahme. (Prozessgröße)
    Jedoch besitzen beide die selbe Einheit.
    In Formeln:
    ΔE=W aber E≠W
    [W]=J und [E]=J

    Hoffe das hilft dir weiter.

    Von Karsten S., vor mehr als 5 Jahren
  4. Daß ich das Formelzeichen "W" verwende, hat seinen Grund nur darin, daß ich häufiger mit Elektrophysik zu tun hatte und habe; dort hebt man sich das "E" für die Bezeichnung der elektrischen Feldstärke auf, gewöhnt sich also daran, die Energie mit W zu bezeichnen.

    Das ist auch gar nicht problematisch, denn: Was ist der Unterschied von Energie und Arbeit, im physikalischen Sinne ? - Es gibt keinen !

    Man kann zwar zur besseren Vorstellung sagen, daß an einem Objekt "Arbeit verrichtet" wird, sagt aber damit genau dasselbe wie wenn man formulierte, daß dem Objekt "Energie zugeführt" wird oder "die Energie des Objekts sich erhöht". In jedem Falle müssen wir ein und dieselbe Formel verwenden: in der Mechanik immer das Wegintegral der Kraft; bei der isothermen Expansion (Wärmekraftmaschine) immer das Volumenintegral des Drucks (oder Ableitungen daraus) - ganz gleich, ob man sagt, daß das System "mechanische Energie abgibt" oder "Arbeit verrichtet". So ist eine Unterscheidung von W und E nur eine Konvention, die aus der anschaulichen Vorstellung vom Verrichten *mechanischer Arbeit herrührt. Einige strenge Physiklehrbücher (wie z. B. Metzler Physik) tun "Arbeit" ganz und gar als "veraltet" ab und sprechen nur noch von Abgabe/Verringerung und Zufuhr/Erhöhung von Energie.
    Deshalb ist es gleich, welches Zeichen wir nehmen, es muß nur in jedem Kontext konsequent durchgehalten werden.

    Von Kalo, vor mehr als 5 Jahren
  5. Meinen sie E = h*f ? Es geht ja schliesslich um Energie und nicht um Arbeit...

    Von Puco 1, vor mehr als 5 Jahren

Äußerer Fotoeffekt und Lichtquanten Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Äußerer Fotoeffekt und Lichtquanten kannst du es wiederholen und üben.
  • Gib an, was Max Planck mit der Gleichung $E=h\cdot f$ aufzeigen konnte.

    Tipps

    $W=h\cdot f$

    $h=6,626\cdot 10^{-34}~Js$ ist das Plancksche WIrkungsquantum.

    Lösung

    Max Planck gilt als Begründer der Quantenphysik. Für die Entdeckung des Planckschen Wirkungsquantums erhielt er 1919 den Nobelpreis für Physik.

    Denn im Jahr 1900 entdeckte er etwas, was die Physik revolutionieren sollte: Die Energie schwingender Teilchen nimmt nicht jeden beliebigen Wert, sondern stufenweise verschiedene Werte an. Die Energie ist portioniert (oder auch gequantelt).

  • Gib an, was man unter der Grenzfrequenz versteht.

    Tipps

    Was besagt der Photoeffekt?

    Die Freisetzung von Ladungsträgern aus einer blanken Metalloberfläche durch Licht wurde schon 1839 von Alexandre Edmond Becquerel beobachtet.

    Lösung

    Die Experimente zum Photoeffekt wurden anfangs gut verstanden und konnten mit einer ausreichenden Theorie erläutert werden. Unklar war jedoch lange Zeit, warum bei Licht der einen Wellenlänge ein Strom gemessen werden konnte und bei Licht mit einer anderen Wellenlänge nicht.

    Diese Grenzfrequenz ist die Frequenz des Lichts, welche ausreicht, um ein Elektron von seinem Atom zu lösen. Die Energie des Lichts ist somit größer als die notwendige Austrittsarbeit.

  • Gib an, was die Quantenmechanik über Elektronen und deren Verhalten aussagt.

    Tipps

    Welche Experimente mit Elektronen kennst du und was sagen diese Experimente über das Verhalten von Elektronen aus?

    Lösung

    Wie verhalten sich denn Elektronen nun? Wie Teilchen oder wie Wellen?

    Tatsächlich sind Elektronen beides: Welle und Teilchen. Denn Elektronen sind quantenmechanische Objekte. Man nennt diese Eigenschaft, sowohl Welle als auch Teilchen zu sein, Welle-Teilchen-Dualismus. Dabei bedeutet sowohl als auch genau das: Das Objekt ist beides gleichzeitig. Je nachdem, welche seiner Eigenschaften man misst, zeigt es sich mehr als Teilchen oder mehr als Welle.

  • Gib zu den jeweiligen prominenten Physikern die passende Aussage an.

    Tipps

    Hertz wurde 1857 geboren, Planck 1858, Einstein 1879 und Feynman 1918.

    Lösung

    Die Zuordnung der namhaften Physikern zu den jeweiligen Ereignissen fällt dir leichter, wenn du dir vor Augen führst, wann diese Physiker geboren sind.

    So wurde Hertz 1857 geboren, Planck 1858, Einstein 1879 und Feynman 1918.

    Heinrich Hertz ist somit der älteste dieser vier Physiker. Er stellte vor 1900 fest, dass man mit Licht geladene Elektroden entladen kann.

    Planck, der zweitälteste Vertreter, konnte einige Jahre später zeigen, dass die Energie schwingender Teilchen portioniert bzw. diskret oder auch gequantelt ist. Er leistete einen wesentlichen Beitrag zur Begründung der Quantenmechanik.

    Einstein konnte kurz darauf (auf Plancks Arbeiten aufbauend) zeigen, dass Licht ebenfalls portioniert bzw. diskret oder auch gequantelt ist. Dies war für zahlreiche Physiker enorm revolutionär und musste sich in der wissenschaftlichen Welt erst einmal festigen. Doch es ließ sich an Einsteins Arbeit kein Fehler finden und sein Beitrag wurde einige Jahre später mit dem Nobelpreis ausgezeichnet. Leider wurde die Quantenmechanik so zu einer Disziplin, welche sich in keiner Art und Weise anschaulich erklären und/oder verstehen ließ.

    Diesbezüglich äußerte sich Feynman wie folgt über die Quantenmechanik. Er sagte in einer Vorlesung: „Fragen Sie nicht dauernd: Wieso?. Denn das führt in eine Sackgasse ohne Entkommen.“ An dieser Auffassung hat sich bis heute in der Physik nichts verändert.

  • Gib an, wofür Einstein den Nobelpreis erhielt.

    Tipps

    Der Name Albert Einstein wird in der Regel mit einem ganz speziellen Gebiet der Physik verbunden, für welches er jedoch nie einen Nobelpreis erhielt.

    Lösung

    Es war ein langer Weg bis Albert Einstein im Jahr 1922 den Physik-Nobelpreis erhielt. Seit 1910 war er nahezu jedes Jahr (bis auf 1911 und 1915) nominiert worden.

    Seinen einzigen Nobelpreis erhielt Einstein jedoch für seine Arbeit zum Photoelektrischen Effekt. Und auch wenn diese Arbeit nie die gleiche öffentliche Aufmerksamkeit erregte wie die Allgemeine und Spezielle Relativitätstheorie, so war sie doch von grundlegender Bedeutung für die Quantentheorie.

  • Gib die mindestens notwendige Frequenz zur Überwindung der Austrittsarbeit $W_A=4,39~eV$ von Kupfer an.

    Tipps

    Schreibe dir die gegebenen und gesuchten Größen auf.

    $W_A=h\cdot f$

    Hast du das Ergebnis richtig gerundet?

    Lösung

    Um diese Aufgabe lösen zu können, schreiben wir zuerst die gegeben und gesuchten Größen auf, halten die Formel zur Berechnung fest, setzen die Zahlenwerte ein und formulieren einen Antwortsatz.

    Gegeben: $W_A=4,39~eV$; $~~~~$ $h=4,135\cdot 10^{-15}~eV\cdot s$

    Gesucht: $f$ in $Hz$

    Formel: $W_A=h\cdot f$. Diese Formel ist jedoch nach $f$ umzustellen: $f=\frac{W_A}{h}$

    Berechnung: $f=\frac{W_A}{h}=\frac{4,39~eV}{4,135\cdot 10^{-15}~eV\cdot s}=1,06\cdot 10^{15}~\frac{1}{s}=1,06\cdot 10^{15}~Hz$

    Antwortsatz: Die Frequenz beträgt $1,06\cdot 10^{15}~Hz$.

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