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Fotoeffekt

Der Fotoeffekt beschreibt die Wechselwirkung von Licht mit Festkörpern. Erfahre, wie die Gegenfeldmethode die Energie der Photonen bestimmt und warum Austrittsarbeit und Frequenz eine entscheidende Rolle spielen. Interessiert? Das und vieles mehr erfährst du im folgenden Text!

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Die Autor*innen
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Physik-Team
Fotoeffekt
lernst du in der 11. Klasse - 12. Klasse - 13. Klasse

Fotoeffekt Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Fotoeffekt kannst du es wiederholen und üben.
  • Beschreibe den Versuchsaufbau zum Fotoeffekt mit Gegenspannung.

    Tipps

    Unter welchen Bedingungen tritt der Fotoeffekt, der auch lichtelektrischer Effekt heißt, auf?

    Wie kann der Fotoeffekt gemessen oder beobachtet werden?

    Lösung

    Der Fotoeffekt tritt auf, wenn eine Metallplatte mit energetischem Licht bestrahlt wird. Infrarote Strahlung besitzt eine niedrige Frequenz und somit nicht genug Energie, um Elektronen aus der Metallplatte herauszulösen. Sichtbares Licht hingegen überträgt bereits genug Energie auf die Elektronen im Metall, um sie herauszulösen. Aufgrund ihrer Funktion nennt man die Metallplatte auch Kathode, sie liefert freie Elektronen.

    Diese erreichen je nach Energie das Anodengitter und fließen durch den Draht und das Amperemeter wieder zurück zur Metallplatte. Diesen Strom, den man mit dem Amperemeter misst, nennt man Fotostrom.

    Für den weiteren Versuch ist es hilfreich, eine Gegenspannung anzulegen, durch die die Elektronen abgebremst wird. Diese Spannung misst man mit einem Voltmeter.

  • Beschreibe den Gegenfeld-Trick und nenne die dazugehörige Formel.

    Tipps

    Warum spricht man von der Gegenfeldmethode?

    Überlege dir, wie sich die Elektronen durch die Röhre und den Draht bewegen.

    Lösung

    Die Gegenfeldmethode heißt so, weil durch eine Gegenspannung ein der Elektronenbewegung entgegengesetztes elektrisches Feld entsteht, durch das die Elektronen auf eine Geschwindigkeit von $v=0~ \frac{\text{m}}{\text{s}}$ abgebremst werden. Das bedeutet, dass die Elektronen effektiv keine kinetische Energie mehr haben.

    Die Formel für die Beschleunigung eines Elektrons im Kondensator lautet $E_\text{kin}=W_\text{el}=e \cdot U$.

    In diesem Versuch werden die Elektronen durch die Gegenspannung $U_\text{G}$ in die entgegengesetzte Richtung beschleunigt, sodass ihre kinetische Energie vom Anfangswert $E_\text{kin}$ auf den Endwert $0$ abgesenkt wird. Dies geschieht, da die Beschleunigungsarbeit $W_\text{el}$ des elektrischen Feldes der Bewegung der Elektronen entgegenwirkt. Es gilt also: $E_\text{kin}-W_\text{el}= 0$

    Daher können wir $E_\text{kin}$ und $W_\text{el}$ gleichsetzen und $E_\text{kin}$ mit der Formel $E_\text{kin} = e \cdot U_\text{G}$ mit gegebener Gegenspannung $U_\text{G}$ berechnen.

  • Beschreibe den Einfluss der Lichtintensität auf das Experiment.

    Tipps

    Stelle dir das Licht als Teilchen vor. Man nennt diese Teilchen Photonen.

    Lösung

    Licht können wir uns genauso wie jede andere elektromagnetische Strahlung als Lichtteilchen oder als Welle vorstellen. Beide Anschauungen können durch bestimmte Experimente bestätigt werden.

    Zu der Zeit, in der der Fotoeffekt zum ersten Mal beobachtet wurde, war man eigentlich der Meinung, Licht sei eine Welle, dies konnte man durch Interferenzversuche am Doppelspalt bestätigen.

    Es hat eine gewisse Zeit gedauert, bis sich die Physiker, genau wie Einstein, der den den Fotoeffekt richtig deutete, an die quantisierte Eigenschaft des Lichts gewöhnt hatten.

    Die Frequenz des Lichts, also die Energie der Photonen, beeinflusst beim Fotoeffekt die Geschwindigkeit, mit der die Elektronen austreten.

    Die Intensität beeinflusst nur die Zahl der Elektronen. Je größer die Intensität, desto mehr Elektronen werden herausgeschlagen und desto größer ist dadurch der Fotostrom bei gleicher Frequenz.

  • Bestimme die Austrittsarbeit für eine Kaliumplatte.

    Tipps

    Nutze die Einsteingleichung.

    $f=\dfrac{c}{\lambda}$

    Lösung

    Den gesuchten Zusammenhang beschreibt die Einsteingleichung.

    gegeben:

    $\begin{align*} \lambda &=\pu{400 nm}\\ U_\text{G}&=\pu{852 mV}\\ h&=\pu{4,136*10^{-15} eV*s}\\ c&=\pu{3*10^8 m//s} \end{align*}$

    gesucht:

    $W_\text{A}$

    Formeln:

    $\begin{align*} E_\text{kin} &= h \cdot f - W_\text{A}\\ E_\text{kin} &= e \cdot U\\ f&=\dfrac{c}{\lambda}\\ \end{align*}$

    Umformen und Einsetzen:

    $\begin{align*} E_\text{kin} &= h \cdot f - W_\text{A}\\ e \cdot U &= h \cdot \dfrac{c}{\lambda} - W_\text{A} \qquad \big\vert~+ W_\text{A} - e \cdot U \\ W_\text{A}&= h \cdot \dfrac{c}{\lambda} - e \cdot U\\ &= \pu{4,136*10^{-15} eV*s} \cdot \dfrac{\pu{3*10^8 m//s}}{\pu{400*10^{-9} m}} - \pu{1 e} \cdot \pu{0,852 V}\\ &=\pu{2,25 eV} \end{align*}$

  • Gib an, wie man graphisch die Austrittsarbeit bestimmt.

    Tipps

    Mit welcher physikalischen Größe ist die Arbeit gleichzusetzen?

    Wovon hängt die Steigung des Graphen ab?

    Lösung

    Arbeit ist physikalisch genau dasselbe wie Energie. Durch das Verrichten von Arbeit kann man Energie speichern und mit gespeicherter Energie kann Arbeit verrichtet werden.

    Die Steigung des Graphen ist nur von einer konstanten Größe, dem Planckschen Wirkungsquantum abhängig. Die Frequenz ist dabei die Variable, so wie das $x$ bei einer Geraden mit der Gleichung $y=mx+n$.

    Das $n$, der $y$-Achsenabschnitt, ist gleichbedeutend mit der Austrittsarbeit. Denn erst, wenn die Frequenz groß genug ist, um einen Energiewert, der größer als die Austrittsarbeit ist, auf die Elektronen im Metall zu übertragen, können wir überhaupt etwas beobachten. Hier beginnt der Graph.

    Um den Wert der Austrittsarbeit zu bestimmen, müssen wir graphisch also nur den gemessenen Graphen in den negativen Bereich hinein verlängern und den Wert für die Austrittsarbeit an der $y$-Achse ablesen.

  • Ekläre, wie man mit Fotovoltaikanlagen Strom erzeugen kann.

    Tipps

    Welcher Teil des elektromagnetischen Spektrums bewirkt den Fotoeffekt?

    Überlege dir, welche Teilchen beteiligt sind und welche Rolle sie übernehmen.

    Lösung

    Klassischerweise beobachtet man den Fotoeffekt nicht bei infrarotem Licht, sondern erst bei energiereicherer Strahlung. Es gibt jedoch bereits Versuche mit starken Infrarotlasern, die Elektronen aus winzigen Goldspitzen herausschlagen können.

    Das Funktionsprinzip der Fotovoltaikanlagen beruht, wie der Name bereits sagt, auf dem Fotoeffekt.

    Dabei wird ein Teil der Energie des Sonnenspektrums auf die Elektronen des Halbleitermaterials übertragen. Diese verlassen ihre Bindungen und es bildet sich am Übergang der beiden dotierten Siliziumschichten eine Grenzschicht, an der auch ein elektrisches Feld entsteht. Die Elektronen werden dadurch dazu gebracht, sich zur Anode zu bewegen. Die positiven Stellen, die in der Halbleitertechnik Löcher genannt werden (fehlende Elektronen), wandern hingegen zur Kathode.

    Es werden je nach Material nur ganz bestimmte Wellenlängen des Sonnenspektrums aufgenommen. Dies ist ein großer Nachteil der bisher technisch realisierten Fotovoltaikanlagen, da sie nur geringe Spannungen liefern und nur einen kleinen Teil der zur Verfügung stehenden Energie umwandeln.

    Durch Reihenschaltungen vieler kleiner Fotozellen erhält man auch größere Spannungen.

    Achtung: Bei Batterien oder Spannungserzeugern wird die Anode auch Plus-Pol und die Kathode auch Minus-Pol genannt. Auch wenn wir sie physikalisch gesehen genau andersherum benennen würden.