P 56: Photostrom und Photospannung, aktualisiert 11.11.

 8.7.2 Photostrom und Photospannung     

 

 

Wir kennen aus Q1: 

Wird ein Elektron durch eine Spannung U beschleunigt, so besitzt es die (kinetische) Energie 

Wkin = e* U.

1 eV ist die kinetische Energie, die ein Elektron hat, das durch eine Spannung von 1 V beschleunigt wird.

Was bedeutet das für eine einfache Photozelle?

Kommt ein Photon mit einer Energie von 4 EV an und benötigt das Elektron 1 eV um das Metall zu verlassen, so bleiben 3 eV als kinetische Energie übrig, d.h. die Photozelle liefert eine Spannung von 3 V.

Aufbau einer Photozelle:

Die Metallplatte, aus der die Elektronen ausgelöst werden, wird zusammen mit einer Metallelektrode in ein Vakuumgehäuse gepackt, durch dessen Hülle das Licht hindurch kommt.

Meistens nimmt man als Metall Cäsium, da hier besonders niedrige Werte für die Austrittsarbeit vorliegen.

Trifft nun Licht auf das Metall (wir nennen es Kathode) und (!) hat das Licht mehr als die für das Metall notwendige Mindestfrquenz, so lösen die Photonen Elektronen aus. Diese haben in der Regel dann die kinetische Energie

Wkin = h*f - Wa

Mit dieser Energie können sie durch das Vakuum fliegen und gelangen zur Anode. Diese lädt sich negativ auf. Sie ist ringförmig, damit das Licht hindurchkommt.

Zwischen Kathode und Anode entsteht eine wachsende Spannung. Solange die kinetische Energie der Elektronen ausreicht, diese Spannung zu überwinden, wird die Anode weiter aufgeladen.

Schließlich gibt es ein Gleichgewicht:

Zwischen Kathode und Anode hat sich eine Spannung ausgebildet, die so groß ist, dass keine weiteren Elektronen mehr auf die Anode kommen können:

Für die Spannung gilt: 

e*U = Wkin = h*f - Wa

Mit einem Vielfachmessgerät können wir diese Spannung an den Anschlüssen von Kathode und Anode messen

U = h/e * f - Wa/e

Falls euch der Text bekannt vorkommt...

Genau das hatten wir vor einem Jahr beim Aufladen eines Kondensators...ersetzt einfach Kathode und Anode durch zwei Kondensatorplatten...nur wird hier der "Kondensator" letztlich indirekt durch das Licht aufgeladen.

Verbinden wir Kathode und Anode miteinander (außerthalb der Photozelle) so entsteht ein Strom I, der Photostrom.

chemgapedia.de

dokspeicher.de

Anregung zum Nachdenken:

Was ist weiter oben mit "Mindestfrequenz" gemeint? 

Kannst Du die Formel für die Mindestfrequenz erklären:

fmin = Wa/h ?

Wie kann ich die Photospannung beeinflussen?

Wodurch ist der Photostrom bestimmt? 

Experiment:

Das schauen wir uns einmal im Versuch an.

Wir arbeiten mit einer Fotomultiplier-Röhre. Die wird benutzt um selbst aus schwachem Licht noch starke Photoströme zu machen. Der Trick ist hier nicht wichtig, muss aber erklärt werden, damit ihr die Schaltung versteht:

Die Elektronen, die aus der Kathode austreten, treffen hier auch auf ein Metall (Dynode genannt). Dort lösen sie weitere Elektronen aus, die über elektrische Felder beschleunigt werden und aus weiteren Dynoden Elektronen auslösen. So wird aus einem Photon, das ein Elektron aus der Kathode befreit, ein millionenfach verstärkter Stromstoß.

chemgapedia.de

 

In unserem Experiment nehmen wir die Kathode und die erste Dynode als Anode und lassen den Rest ungenutzt.

 

Photostrom:

Photospannung:

Am Ende des Videos sage ich, dass die Photospannung von der Farbe des Lichtes abhängt.

Wieso?

Könnt ihr das mit Einsteins zweitberühmtester Formel erklären?

Das folgende Experiment zeigt das sehr eindrücklich

 

Veranschaulichung:

Die Photospannung ist eine Potenzialdifferenz. Im Gravitationsfeld sind Potenzialdifferenzen Höhenunterschiede.

Sind Kathode und Anode schon aufgeladen, müssen die weiteren Elektronen von der Kathode aus gegen den Potenzialberg ankämpfen. Das können sie nur mit ausreichend kinetischer Energie.

Ist die Aufladung so weit fortgeschritten, dass die vom Licht zur Verfügung gestellte kinetische Energie nicht mehr ausreicht um die Potenzialdifferenz zu überwinden, ist das Gleichgewicht eingetreten. Die Photozelle erzeuigt eine konstante Spannnung, vorausgesetzt, die Frequenz ändert sich nicht.

Anmerkung: Ich schreibe alles, was mit Photonen zu tun hat mit Ph..., es ist aber auch möglich von Fotostrom und Fotospannung zu reden, aber eher unüblich von Fotonen....