Photo-Effekt

• Vakuum-Fotozelle:
  • Metall-Oberfläche (Kathode) im Vakuum wird mit (kurzwelligem) Licht bestrahlt
  • Licht löst Elektronen heraus, fliegen zur Anode
  • Zwischen Kathode und Anode wird eine veränderbare Spannung angelegt
  • Strom der an der Anode ankommenden Elektronen wird gemessen
  • im Bild:
    
• Experiment 1:
  • negative Spannung an Anode zum Bremsen der Elektronen
  • Spannung U_stop messen, bei der der Strom ganz aufhört.
  • ergibt kinetische Energie der schnellsten Elektronen:
    • E_kin = e U_stop
  • U_stop messen bei Veränderung der Lichtstärke
  • Beobachtung: U_stop (und damit E_kin) hängen nicht von der Licht-Intensität ab
• klassisches Bild:
  • Licht = elektromagnetische Welle
  • seine Schwingungen führen zu Oszillationen der (in den Atomen gebundenen) Elektronen
  • Energieübertrag groß genug → Elektronen lösen sich
  • Energietransfer hängt ab von der Frequenz (Resonanzeffekte) und von der Amplitude der Welle
  • Ergebnis von Experiment 1 klassisch nicht zu verstehen
• Experiment 2:
  • wie Experiment 1, aber Frequenz des einfallenden Lichts wird geändert
  • Ergebnis:
    
  • unterhalb einer bestimmten Frequenz werden keine Elektronen herausgelöst, egal, wie stark das eingestrahlte Licht ist.
  • klassisch nicht zu verstehen: auch wenn Lichtfrequenz weit weg von einer Resonanz, müsste durch hohe Amplitude eine Herauslösung erreicht werden.
• Deutung im Photonenbild:
  • Grundannahme: Licht besteht aus kleinen Klümpchen von Energie (Photonen) mit Energie E_photon proportional zur Frequenz f:
    • E_photon = h f
  • mit
    • h = 6.626 · 10^-34 Js    (Plancksches Wirkungsquant)
  • mit Beziehung zwischen Frequenz und Wellenlänge f λ = c:
    • E_Photon = h c / λ
  • ein Elektron immer durch ein einzelnes Photon herausgelöst
  • dazu bestimmte Energie W_A (Austrittsarbeit) nötig
  • kinetische Energie eines Elektrons dann:
    • E_kin = h f - W_A
• Erklärung von Experiment 1:
  • Erhöhung der Lichtintensität
    → Erhöhung der Anzahl der Photonen
    → mehr Elektronen werden herausgeschlagen
  • Energie eines einzelnen Photons und damit kinetische Energie der Elektronen ändert sich nicht
• Erklärung von Experiment 2:
  • Frequenz des Lichts zu niedrig
    → Energie der Photonen reicht nicht,
    → Elektronen bleiben gebunden
  • Erhöhung der Intensität nützt nichts: nicht mehr Photonen, sondern energiereichere sind nötig.
• Aufgaben:
  • Aufgabe 6
  • Aufgabe 7