PhysikKlasse 12–13

Photoeffekt

Rotes Licht kann noch so hell sein, es löst kein einziges Elektron. Kurzwelliges Licht schafft es sofort. Für Wellen ist das rätselhaft, für Photonen nicht.

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Worum geht es?

Fällt Licht auf eine Metallfläche, können Elektronen herausgelöst werden: der Photoeffekt. In einer Fotozelle treffen diese Elektronen auf die gegenüberliegende Anode, und ein Strommesser zeigt einen kleinen Fotostrom an.

Überraschend ist, wovon das abhängt:

  • Unterhalb einer Grenzfrequenz fGf_\text{G} werden gar keine Elektronen ausgelöst – auch nicht mit sehr hellem Licht.
  • Mehr Intensität bedeutet mehr Elektronen (größerer Strom), aber nicht schnellere.
  • Die größte Bewegungsenergie der Elektronen wächst mit der Frequenz des Lichts.

Einstein erklärte das 1905 mit Photonen: Licht besteht aus Energieportionen EPh=h⋅fE_\text{Ph} = h \cdot f. Ein Photon gibt seine ganze Energie an ein einziges Elektron ab. Um das Metall zu verlassen, braucht das Elektron die Austrittsarbeit WAW_\text{A}; der Rest bleibt als Bewegungsenergie:

Ekin,max=h⋅f−WA.E_\text{kin,max} = h \cdot f - W_\text{A}.

Gegenfeldmethode: Legt man die Anode auf ein negatives Potenzial gegenüber der Kathode (Gegenspannung UU), werden die Elektronen gebremst. Der Strom verschwindet bei der Spannung UGU_\text{G}, bei der selbst die schnellsten Elektronen nicht mehr ankommen:

e⋅UG=Ekin,max.e \cdot U_\text{G} = E_\text{kin,max}.

Misst man UGU_\text{G} für verschiedene Frequenzen, liegen die Punkte (f∣e⋅UG)(f \mid e \cdot U_\text{G}) auf einer Geraden – der Einstein-Geraden. Ihre Steigung ist die Planck-Konstante h≈4,14⋅10−15 eV⋅s=6,63⋅10−34 J⋅sh \approx 4{,}14 \cdot 10^{-15}\,\text{eV}\cdot\text{s} = 6{,}63 \cdot 10^{-34}\,\text{J}\cdot\text{s}, sie schneidet die ff-Achse bei der Grenzfrequenz fG=WAhf_\text{G} = \frac{W_\text{A}}{h} und die Energieachse bei −WA-W_\text{A}.

Austrittsarbeiten (Schulbuchtabellen, gerundet): Cäsium 1,94 eV1{,}94\,\text{eV}, Kalium 2,25 eV2{,}25\,\text{eV}, Natrium 2,28 eV2{,}28\,\text{eV}, Lithium 2,46 eV2{,}46\,\text{eV}, Zink 4,34 eV4{,}34\,\text{eV}, Kupfer 4,48 eV4{,}48\,\text{eV}. Je nach Quelle und Oberflächenzustand weichen die Werte etwas ab.

Zur Darstellung: Die Bewegungsenergien der ausgelösten Elektronen sind im Modell gleichmäßig zwischen 00 und Ekin,maxE_\text{kin,max} verteilt; deshalb fällt der Strom mit wachsender Gegenspannung gerade ab. Die Stromstärke in nA ist ein Modellwert.

Ausprobieren

  1. Beobachte die Elektronen bei U=0U = 0. Stelle dann eine Gegenspannung ein: Was passiert mit langsamen und schnellen Elektronen? Beispiel laden
  2. Drücke „Gegenspannung abgleichen“. Bei welcher Spannung wird der Strom null? Strom null
  3. Verdopple die Intensität von 50 %50\,\% auf 100 %100\,\%. Was ändert sich am Strom, was an UGU_\text{G}? Vergleiche die beiden Kurven im II-UU-Diagramm. 50 % · 100 %
  4. Wähle rotes Licht. Hilft es, die Intensität zu erhöhen? Rotes Licht
  5. Nimm eine Messreihe auf („Messreihe automatisch“) und lies die Steigung der Ausgleichsgeraden ab.
  6. Vergleiche Cäsium mit Zink. Warum braucht man für Zink ultraviolettes Licht? Zink im UV

Aufgaben

Aufgabe 1: Violettes Licht auf Cäsium

Licht der Wellenlänge 400 nm400\,\text{nm} fällt auf eine Cäsium-Kathode (WA=1,94 eVW_\text{A} = 1{,}94\,\text{eV}). Berechne die Photonenenergie, die größte Bewegungsenergie der Elektronen und die Gegenspannung, bei der der Strom null wird. Aufgabe laden

Lösung anzeigen

f=cλ=3,00⋅108 m/s400⋅10−9 m=7,50⋅1014 Hzf = \frac{c}{\lambda} = \frac{3{,}00 \cdot 10^8\,\text{m/s}}{400 \cdot 10^{-9}\,\text{m}} = 7{,}50 \cdot 10^{14}\,\text{Hz}, EPh=h⋅f=4,136⋅10−15 eV⋅s⋅7,50⋅1014 Hz≈3,10 eVE_\text{Ph} = h \cdot f = 4{,}136 \cdot 10^{-15}\,\text{eV}\cdot\text{s} \cdot 7{,}50 \cdot 10^{14}\,\text{Hz} \approx 3{,}10\,\text{eV} (schneller: EPh=h⋅cλ=1240 eV⋅nm400 nm=3,10 eVE_\text{Ph} = \frac{h \cdot c}{\lambda} = \frac{1240\,\text{eV}\cdot\text{nm}}{400\,\text{nm}} = 3{,}10\,\text{eV}). Die Simulation rechnet mit c=2,998⋅108 m/sc = 2{,}998 \cdot 10^8\,\text{m/s} und zeigt deshalb 7,495⋅1014 Hz7{,}495 \cdot 10^{14}\,\text{Hz}. Ekin,max=3,10 eV−1,94 eV=1,16 eVE_\text{kin,max} = 3{,}10\,\text{eV} - 1{,}94\,\text{eV} = 1{,}16\,\text{eV}, also UG=1,16 VU_\text{G} = 1{,}16\,\text{V}. In der Simulation zeigen

Aufgabe 2: Grenzfrequenz

Berechne die Grenzfrequenz und die Grenzwellenlänge für Cäsium. Löst rotes Licht (650 nm650\,\text{nm}) Elektronen aus? Aufgabe laden

Lösung anzeigen

fG=WAh=1,94 eV4,136⋅10−15 eV⋅s≈4,69⋅1014 Hzf_\text{G} = \frac{W_\text{A}}{h} = \frac{1{,}94\,\text{eV}}{4{,}136 \cdot 10^{-15}\,\text{eV}\cdot\text{s}} \approx 4{,}69 \cdot 10^{14}\,\text{Hz}, λG=cfG≈639 nm\lambda_\text{G} = \frac{c}{f_\text{G}} \approx 639\,\text{nm}. Bei 650 nm650\,\text{nm} ist EPh≈1,91 eV<WAE_\text{Ph} \approx 1{,}91\,\text{eV} < W_\text{A}: keine Elektronen, egal wie hell. In der Simulation zeigen

Aufgabe 3: Zink

Warum löst das Licht aus Aufgabe 1 aus Zink (WA=4,34 eVW_\text{A} = 4{,}34\,\text{eV}) keine Elektronen aus? Welche Wellenlänge braucht man mindestens? Aufgabe laden

Lösung anzeigen

3,10 eV<4,34 eV3{,}10\,\text{eV} < 4{,}34\,\text{eV}. Nötig ist λ<h⋅cWA=1240 eV⋅nm4,34 eV≈286 nm\lambda < \frac{h \cdot c}{W_\text{A}} = \frac{1240\,\text{eV}\cdot\text{nm}}{4{,}34\,\text{eV}} \approx 286\,\text{nm}, also ultraviolettes Licht. In der Simulation zeigen

Aufgabe 4: Planck-Konstante aus zwei Messungen

An Cäsium misst man bei 400 nm400\,\text{nm} die Gegenspannung 1,16 V1{,}16\,\text{V} und bei 300 nm300\,\text{nm} die Gegenspannung 2,19 V2{,}19\,\text{V}. Bestimme daraus hh.

Lösung anzeigen

f1=c400 nm=7,50⋅1014 Hzf_1 = \frac{c}{400\,\text{nm}} = 7{,}50 \cdot 10^{14}\,\text{Hz}, f2=c300 nm=10,00⋅1014 Hzf_2 = \frac{c}{300\,\text{nm}} = 10{,}00 \cdot 10^{14}\,\text{Hz}, ΔU=2,19 V−1,16 V=1,03 V\Delta U = 2{,}19\,\text{V} - 1{,}16\,\text{V} = 1{,}03\,\text{V}. h=e⋅ΔUΔf=1,03 eV2,50⋅1014 Hz≈4,1⋅10−15 eV⋅s≈6,6⋅10−34 J⋅sh = \frac{e \cdot \Delta U}{\Delta f} = \frac{1{,}03\,\text{eV}}{2{,}50 \cdot 10^{14}\,\text{Hz}} \approx 4{,}1 \cdot 10^{-15}\,\text{eV}\cdot\text{s} \approx 6{,}6 \cdot 10^{-34}\,\text{J}\cdot\text{s}. In der Simulation prüfen

Aufgabe 5: Intensität

Erkläre mit dem Photonenmodell, warum doppelte Intensität den Strom verdoppelt, die Gegenspannung UGU_\text{G} aber gleich bleibt. 50 % · 100 %

Lösung anzeigen

Doppelte Intensität heißt doppelt so viele Photonen pro Sekunde, also doppelt so viele ausgelöste Elektronen. Jedes Photon hat aber weiterhin h⋅fh \cdot f, also bleibt Ekin,maxE_\text{kin,max} und damit UGU_\text{G} gleich. In der Simulation: bei U=0,6 VU = 0{,}6\,\text{V} steigt der Strom von etwa 0,48 nA0{,}48\,\text{nA} auf 0,97 nA0{,}97\,\text{nA}, UG=1,16 VU_\text{G} = 1{,}16\,\text{V} bleibt.

Ideen für den Unterricht

  • Einsatz: in der Oberstufe beim Thema Quantenobjekte und Photonen; die genaue Einordnung bitte am Lehrplan prüfen. Gut als Ergänzung zum Versuch mit der Fotozelle und der Quecksilberlampe mit Filtern.
  • Möglicher Ablauf: zuerst die drei überraschenden Beobachtungen sammeln (Grenzfrequenz, Intensität, Frequenz), dann mit dem Wellenmodell vergleichen, danach die Gegenfeldmethode und zum Schluss die Einstein-Gerade mit der Bestimmung von hh.
  • Modell: Energieverteilung der Elektronen vereinfacht, Kontaktspannungen zwischen Anode und Kathode vernachlässigt. Bei echten Messungen liegt die Gerade deshalb meist etwas verschoben, die Steigung bleibt aber hh.
  • Häufige Stolpersteine:
    • „Helleres Licht macht die Elektronen schneller.“ – Mehr Licht bedeutet mehr Photonen, nicht energiereichere.
    • „Die Gegenspannung beschleunigt die Elektronen.“ – Sie bremst sie; nur Elektronen mit Ekin>e⋅UE_\text{kin} > e \cdot U kommen an.
    • „Ekin=h⋅fE_\text{kin} = h \cdot f.“ – Die Austrittsarbeit fehlt: Ekin,max=h⋅f−WAE_\text{kin,max} = h \cdot f - W_\text{A}.
  • Weiterführend: Linienspektren, Compton-Effekt, Fotodioden und Solarzellen.