Licht löst Elektronen aus Der Fotoeffekt Licht löst Elektronen aus

Gliederung Allgemein Hallwachs-Effekt Fotoeffekt Aufbau Vorgänge an Metallschicht und Drahtring Gegenfeldmethode Grenzfrequenz Einsteingleichung Planck´sches Wirkungsquantum Lumineszenz (=inverser Fotoeffekt) Beispiele zur Einsetzung Aufgabe (+Lösung)

„Allgemein gesagt, bezeichnet man das Ablösen von Elektronen aus dem Metallverbund beim Auftreffen hinreichend energiereicher elektromagnetischer Strahlung als Photoeffekt.“ Quelle: fit fürs abi Klausur-Training Phyisk, Schroedel, S. 103

Hallwachs-Effekt Vorüberlegungen zum Fotoeffekt negativ geladene Zinkplatte wurde mit UV-Licht bestrahlt, welche daraufhin ihre Ladung verlor Unterhalb einer bestimmten Frequenz werden auch bei einer hohen Intensität keine Elektronen aus der Zinkplatte herausgelöst.  Widerspruch zum Wellenmodell des Lichtes - Einstein klärt diesen Widerspruch später

Fotoeffekt Aufbau - U I - Metallschicht, z.B. Caesium Drahtring + Lichtquelle - Vakuumfotozelle U I - +

Vorgänge an der Metallschicht + Photon ELicht Licht Elektronen WA Eel Bei einer ausreichenden Lichtenergie ELicht können Elektronen aus der Metallschicht rausgelöst werden. Hierbei wird eine Ablösearbeit verrichtet.

Licht hat Energie. Licht kann negative Ladung beeinflussen. Lichtenergie wird in elektrische Energie (und in die Auslösearbeit) umgewandelt. Bildquelle: Impulse Physik 11/12, Klett, S. 178

- Vorgänge am Drahtring Drahtring ist negativ geladen. Eine Gegenspannung wird aufgebaut Elektronen werden vom Drahtring abgestoßen oder fließen ab -

Gegenfeldmethode Ein Elektronenstrom von der Metallschicht zum Drahtring ist messbar. Gegenspannung am Drahtring sorgt für Abbremsung der Elektronen. Können Elektronen am Drahtring abfließen so gilt: Eel ≥ e*U Gegenspannung wird erhöht, sodass auch die schnellsten Elektronen nicht mehr gegen das Gegenfeld ankommen. Wenn Strom gerade so null ist, ergibt sich die Energie der Elektronen. Es gilt: Eel = e*U Energie der schnellsten Elektronen: Eel = Ekin e*U = ½*m*v2

Grenzfrequenz Der Fotoeffekt tritt nur ein, wenn die Frequenz des Lichtes oberhalb einer Grenzfrequenz liegt. vom Material abhängig Auslösearbeit vom Material abhängig Unterhalb der Grenzfrequenz tritt der Fotoeffekt auch bei hoher Beleuchtungsstärke oder langer Belichtung nicht auf. (vgl. Hallwachs)

Albert Einstein Normalerweise lässt sich Energie kontinuierlich übertragen, doch hier wird nur in „Portionen“ übertragen. Dies lässt auf ein Teilchenmodell schließen. „(…) die Energie des Lichts ist nicht auf größer oder kleiner werdende Räume verteilt, sondern es besteht die selbe aus einer endlichen Zahl von in Raumpunkten lokalisierten Energiequanten, welche sich bewegen, ohne sich zu teilen und nur als Ganzes absorbiert und erzeugt werden können.“ Albert Einstein Licht besteht aus Energiequanten, den Photonen. diese haben keine Masse unteilbar zerfallen, wenn sie ihre Energie abgegeben haben Wahrscheinlichkeitsaussagen über Quantenobjekte möglich

Einsteingleichung Eel ΔE/Δf=h Eel EPhoton EPh WA WA Bildquelle: Impulse Physik 11/12, Klett, S. 179

Eel = h*f – WA mit WA = h*fGrenz ΔE/Δf=h =Planck´sches Wirkungsquantum = 6,626 * 10-34 Js = 4,1357 * 10-15 eV*s  ΔE = h*Δf  E = h*f EPh = Eel + WA Eel = EPh – WA mit EPh=h*f Eel = h*f – WA mit WA = h*fGrenz y = m*x+b Eel = h*f - WA

Lumineszenz der inverse Fotoeffekt Elektronen im Kristall werden nur aus der Bindung herausgelöst, treten aber nicht aus dem Kirstallgitter aus. Beispiel Röntgenröhre

Röntgenröhre Elektronen werden von Kathode (durch UH) ausgesendet Anode/Kristall Elektronen werden von Kathode (durch UH) ausgesendet durch UB beschleunigt Elektromagnetische Strahlung wird ausgesendet http://www.leifiphysik.de/themenbereiche/quantenobjekt-photon/ausblick Inverser Fotoeffekt _ LEIFI Physik.htm C:\Users\LM\Desktop\Inverser Fotoeffekt _ LEIFI Physik.htm UB 5 kV Vakuumfotozelle UH Kathode

Elektrische Energie wird in Lichtenergie umgewandelt. Bestimmter Energiebetrag nötig, um Licht auszusenden.  hier hatten wir im Unterricht anschließend noch weiter differenziert, da Lumineszenz auch von Photonen ausgelöst werden kann. Bildquelle: Impulse Physik 11/12, Klett, S. 178

Beispiele zur Einsetzung Fotoeffekt: In Lichtschranken löst Licht elektrische Impulse aus. Lumineszenz: in einer LED (z.B. in einem Fahrradrücklicht) wird bei geeigneter Spannung Licht erzeugt.

Aufgabe zur Anwendung der Einstein-Gleichung In einem Versuch mit einer Vakuum-Fotozelle braucht man bei der Gegenfeldmethode für Licht der Wellenlänge 546 nm eine Gegenspannung von 0,33 V, für Licht der Wellenlänge 436 nm eine Gegenspannung von 0,9 V, um den Fotostrom zum Erliegen zu bringen. a) Berechnen Sie das Planck´sche Wirkungsquantum h b) Berechnen Sie die minimale Auslösearbeit der Fotoschicht c) Berechnen Sie die Geschwindigkeit der vom 546 nm Licht ausgelösten schnellsten Elektronen unmittelbar nach der Verlassen der Fotoschicht d) Von welcher Wellenlänge ab ist bei der Fotozelle der Fotoeffekt beobachtbar?

Lösung zu a) 546 nm ~ 5,476*1014 1/s 436 nm ~ 6,857*1014 1/s h=ΔE/Δf =e*ΔU/Δf =1,602*10-19 * (0,9-0,33V) 6,857*1014 1/s - 5,476*1014 1/s Js = 6,6*10-34 Js zu b) WA = EPh – Eel = h*f – e*U = 6,63*10-34*5,576*1014-1,602*10-19*0,33 = 3,101*10-19 J = 1,93 eV

zu c) e*U=0,5*m*v2  v2=(e*U)/(0,5*m) v2= 1,6*10-19*0,33 0,5*9,109*10-31 = 1,159*1011 v = 3,4*105 m/s zu d) WA = h*fGrenz  fGrenz= WA/h 3,101*10-19 J 6,63*10-34 = 4,67*1014 1/s 4,67*1014 1/s ~ 639,26*10-9 nm

für eure Aufmerksamkeit  Vielen Dank für eure Aufmerksamkeit  Nachzulesen im Buch Impulse Physik 11/12, Klett, S. 178 /179 + 182