P 50: Beobachtung des Photoeffektes

 8. Einsteins Deutung des Photoeffektes  

 

Albert Einstein 1951:

Die ganzen 50 Jahre bewusster Grübelei haben mich der Antwort der Frage „Was sind Lichtquanten“ nicht näher gebracht.

Heute glaubt zwar jeder Lump er wisse es, aber er täuscht sich.  

 

 8.1 Wellen lösen Elektronen und Steine  

Unter Photoeffekt versteht man die Wechselwirkung von Licht mit Materie.

Wir beschäftigen uns mit dem sog. "äußeren Photoeffekt": Licht löst Elektronen aus einer Metallschicht (Entdeckung 1888 von Heinrich Hertz, Untersuchung von Hallwachs, Erklärung durch Einstein 1905, Experimentelle Bestätigung durch Millican 1911).

Bei Solarzellen nutzt man den inneren Photoeffekt aus: Licht kann Elektron - Loch -Paare in einem Halbleiter erzeugen. Sorgt man dafür, dass diese getrennt bleiben, so kann man einen Stromfluß erzeugen und hat eine Solarzelle. Damit haben wir uns in Q1 beschäftigt.

Licht kann auch Atome ionisieren, das wird aber im Allgemeinen nicht mit Photoeffekt bezeichnet.

Darauf beruht z.B. die virentötende Wirkung von UV-Strahlen.

Aber in allen drei Fällen absorbiert ein irgendwie gebundenes Elektron (in einem Atom, in einem Halbleiter) die Energie des Lichtes. Ein freies Elektron kann dies nicht.

In der Regel werden also durch Licht Elektronen befreit. Diese können einen Strom bilden.

Viele moderne Geräte nutzen das aus:

Solarzellen, CCD-Chips von Handykameras, Lichtschranken 

Von Ponor - Eigenes Werk, CC BY-SA 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=92684859

An dem Bild wird deutlich, dass die Elektronen, obwohl sie sich ja frei im Metall bewegen können, von den Ionen (grüne Haufen) elektrisch angezogen werden und somit nicht das Metall verlassen können.

Das Licht muss also ausreichend Energie zur Befreiung der Elektronen zur Verfügung stellen.

Man sagt, die Lichtenergie muss die Austrittsarbeit Wa der Elektronen aus dem Metall bereitstellen (mindestens).

Das kennen wir auch von Wasserwellen:

Wasserwellen können Steine am Ufer aus ihrer Bindung befreien. Das geht besonders gut bei hohem Wellengang (Sturmflut, da sind es dann auch Steine aus Hauswänden). Dann haben Wasserwellen ausreichend Energie, um die Abröckelarbeit der Steine bereitzustellen:

Die Wirkung einer Welle ist um so größer, je höher ihrer Amplitude ist! Sie steigt sogar mit dem Quadrat der Amplitude.

Die Steine sind irgendwie durch andere Steine gebunden, die Welle benötigt Energie, um sie zu lösen.

Elektronen sind durch elektrische Kräfte gebunden, die Welle muss die sog. Austrittsarbeit Wa verrichten, damit das Elektron das Atom oder Metall verlassen kann.

8.2 Der Versuch von Hallwachs

Wir wollen im Prinzip das Experiment von Hallwachs nachstellen.

Wir bestrahlen eine Zinkplatte, die wir vorher aufladen, mit UV-Licht.

Hinweis: Wir laden die Zinkplatte negativ auf, weil die vielen zusätzlichen Elektronen auf der Platte den Effekt erleichtern. Aus diesem Grund verwenden wir auch UV-Licht.

Der Photoeffekt geht natürlich, je nach Material, auch mit sichtbarem Licht und ohne Aufladung!

Wenn die Zinkplatte geladen ist, schlägt das Elektroskop aus. Strahl man das Licht auf die Platte, erkennt man, wie das Elektroskop eine kleinere Ladung anzeigt: Der Ausschlag geht zurück!

Beobachtung 1: Licht kann Elektronen aus einer Metallplatte auslösen.

Schiebt man die UV-Licht undurchlässige Glasplatte dazwischen, so merkt man kaum eine Intensitätsabschwächung, aber die Entladung hört auf.

Beobachtung 2: Ob die Entladung stattfindet, scheint nicht von der Intensität des Lichtes sondern nur von der Wellenlänge bzw. Frequenz abzuhängen. Kurzwelliges, d.h. hochfrequentiges Licht ist besser geeignet.

Das ist so, als würde ein hochfrequentes Kräuseln einer Wasseroberfläche das Ufer zerstören können.

Damit haben wir schon eine erste Beobachtung gemacht, die uns zeigt, dass sich Lichtwellen anders als Wasserwellen verhalten.

Halten wir fest:

Das Auslösen der Elektronen ist nicht durch die Amplitude bestimmt sondern durch die Frequenz des Lichtes.

Ist die Frequenz zu klein, so werden keine Elektronen ausgelöst, egal wie intensiv oder wie lange man bestrahlt!

8.3 Es kann verdammt lang dauern

Wellen transportieren Energie gleichmäßig. Die Chemiker geben uns die Austrittsarbeit für Zink an, nehmen wir einmal 4 eV an. Ein Elektron, dass eine Bewegungsenergie von 4 eV hat, ist ausreichend schnell um der Anziehungskraft des Ionengitters zu entkommen. Elektronen mit weniger Energie fliegen in einem Bogen zurück...

Das ist wie mit Raketen...

nicht so...

sondern so wollen wir es haben:

Übungsaufgabe (abiturrelevant):

Nun bestrahlen wir unser Metall mit einer 50 W - Lampe. Die Metallplatte steht 0,5 m entfernt.

Wir nehmen an, die Lampe ist sehr klein (Punkt). 

Weitehrin: ein Elektron kann innerhalb eines Bereiches von 0,001 nm Energie aufnehmen. Das ist 1% des Radius eines Wasserstoffatoms und, da Elektronen kleiner als 10^(-19) m sein müssen, mehr als 10 Millionen Mal größer als ein Elektron.

(das wäre so, als könnte ein Mensch Wirkungen vom anderen Ende der Erde spüren..., wir haben also großzügig geschätzt...)

Beim Treibhauseffekt habt ihr wiederholt, wie Verteilungsrechungen gehen...

Rechnet einmal aus, wie lange man warten muss, bevor Elektronen ausreichend viel Energie aus der Welle aufgesammelt haben, damit sie das Metall verlassen können.