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Photoelektrischer Effekt

OberschulePhysikEinsteins photoelektrische Gleichung K = hf - φ in einer Vakuum-Fotozelle

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Über dieses Experiment

Wenn Licht auf ein sauberes Metall fällt, kann es Elektronen aus der Oberfläche herausschlagen. Die Überraschung, die Einstein 1905 erklärte, besteht darin, dass die Farbe des Lichts entscheidet, ob dies geschieht, nicht seine Helligkeit. Licht trifft in Paketen ein, die Photonen genannt werden; jedes hat die Energie hf. Ein Photon kann ein Elektron nur dann freisetzen, wenn seine Energie größer ist als die Austrittsarbeit des Metalls. Die verbleibende Energie wird zur kinetischen Energie des Elektrons. Ändere die Wellenlänge, die Helligkeit, das Metall und die Spannung und miss die Bremsspannung, um selbst die Planck-Konstante zu bestimmen.

Lernziele

  • Beschreibe den photoelektrischen Effekt und die Idee einer Grenzfrequenz.
  • Verwende E = hf, um die Energie eines Photons anhand seiner Frequenz oder Wellenlänge zu bestimmen.
  • Wende die photoelektrische Gleichung K_max = hf - φ an.
  • Erkläre, warum die Gegenspannung von der Frequenz, aber nicht von der Intensität abhängt.
  • Erkläre, warum der photoelektrische Effekt das Photonenmodell des Lichts stützt.

Anleitung

  1. 1Beobachte die Elektronen bei Natrium und Licht mit einer Wellenlänge von 400 nm. Erhöhe nun langsam die Wellenlänge. Bei welcher Wellenlänge hören sie auf?
  2. 2Stelle eine Wellenlänge ein, bei der Elektronen freigesetzt werden, und ändere die Intensität. Was ändert sich: die Anzahl der Elektronen, ihre Geschwindigkeit oder beides?
  3. 3Mache die Kollektorspannung immer negativer, bis die Stromstärke gerade null erreicht. Vergleiche diese Gegenspannung mit der maximalen kinetischen Energie.
  4. 4Miss die Gegenspannung bei 250, 300, 350 und 400 nm. Trage sie gegen die Frequenz auf und bestimme die Steigung.
  5. 5Wechsle zu „Energie und Frequenz“. Warum haben alle Geraden die gleiche Steigung?
  6. 6Probiere Zink mit sichtbarem Licht und anschließend mit ultraviolettem Licht aus. Welche Metalle eignen sich für ein Belichtungsmessgerät für sichtbares Licht?

Das Modell

Energie eines Photons; bei λ in nm beträgt E in eV ungefähr 1240 / λ
Einsteins photoelektrische Gleichung: Die Austrittsarbeit φ ist die Mindestenergie, die benötigt wird, um ein Elektron freizusetzen
Die Gegenspannung hält sogar die schnellsten Elektronen auf
Grenzfrequenz: Unterhalb davon werden keine Elektronen herausgelöst, egal wie hell das Licht ist

Annahmen

  • Jedes Photon löst höchstens ein Elektron heraus, und ein festgelegter kleiner Anteil der Photonen oberhalb der Grenzfrequenz löst jeweils ein Elektron heraus. Daher ist der Sättigungsstrom proportional zur Intensität.
  • Die herausgelösten Elektronen haben kinetische Energien, die gleichmäßig zwischen null und K_max verteilt sind. Daher nimmt der Strom mit steigender Gegenspannung linear ab.
  • Beide Platten befinden sich im Vakuum. Das Kontaktpotenzial zwischen den beiden Metallen und jeder Strom bei positiven Spannungen oberhalb der Sättigung werden vernachlässigt.
  • Die Austrittsarbeiten sind typische Werte für saubere Oberflächen; bei realen Oberflächen weichen sie um einige Zehntel Elektronenvolt ab.

Im Unterricht ausprobieren

  1. Q1Warum löst eine sehr helle rote Lampe keine Elektronen aus Zink heraus, während eine schwache Ultraviolettlampe dies tut?
  2. Q2Licht mit einer Wellenlänge von 300 nm fällt auf Calcium (φ = 2,87 eV). Wie groß ist die Stoppspannung?
  3. Q3Was geschieht mit dem Sättigungsstrom und der Stoppspannung, wenn die Intensität verdoppelt wird?
  4. Q4Warum haben die Elektronen nicht alle dieselbe kinetische Energie, obwohl das Licht nur eine Wellenlänge hat?
  5. Q5Das Wellenmodell sagt voraus, dass schwaches Licht eine gewisse Zeit benötigt, um genügend Energie anzusammeln und ein Elektron freizusetzen. Warum wird eine solche Verzögerung nicht beobachtet?

Häufig gestellte Fragen

Was ist die Austrittsarbeit?

Sie ist die Mindestenergie, die benötigt wird, um ein Elektron aus der Oberfläche eines Metalls herauszulösen. Elektronen, die tiefer im Metall liegen, benötigen mehr Energie. Deshalb haben die freigesetzten Elektronen unterschiedliche kinetische Energien bis hin zu K_max.

Wie kann ich mit diesem Versuch das Plancksche Wirkungsquantum bestimmen?

Messen Sie die Stoppspannung für mehrere Wellenlängen, rechnen Sie die Wellenlängen in Frequenzen um und tragen Sie eV gegen f auf. Die Steigung der Geraden ist h, etwa 4,14 × 10⁻¹⁵ eV s oder 6,63 × 10⁻³⁴ J s.

Warum ist der Strom bei allen positiven Spannungen gleich?

Sobald der Kollektor positiv geladen ist, erreicht ihn jedes freigesetzte Elektron. Daher wird die Stromstärke dadurch begrenzt, wie viele Elektronen pro Sekunde freigesetzt werden. Diese Anzahl hängt von der Lichtintensität ab, nicht von der Spannung.