Quantenobjekt Photon

Wenn die ungeladene Platte mit dem Licht der Quecksilberdampflampe bestrahlt wird, dann schlägt das Elektroskop nicht aus, die Platte bleibt also ungeladen.

Wenn die positiv geladene Platte mit dem Licht der Quecksilberdampflampe bestrahlt wird, dann verändert sich der Ausschlag des Elektroskops nicht, die Platte bleibt also positiv geladen.

Wenn die negativ geladene Platte mit dem Licht der Quecksilberdampflampe bestrahlt wird, dann verringert sich der Ausschlag des Elektroskops, die Platte wird also entladen.

Die Strahlung der Quecksilberdampflampe löst aus der Zinkplatte negative Ladungsträger aus.

Im 1. Teilversuch können die ausgelösten Ladungsträger die Platte nicht verlassen, da die elektrostatische Anziehung zwischen diesen negativen Ladungsträgern und der positiv geladenen Zinkplatte zu groß ist.

Im 2. Teilversuch können die ausgelösten Ladungsträger die Platte verlassen, da sie von der negativ geladenen Platte abgestoßen werden.

Solange sich bei negativ vorgeladenem Elektroskop noch keine Glasscheibe im Strahlengang befindet, entlädt sich das Elektroskop wie aus dem 2. Teilversuch bereits bekannt.

Befindet sich die Glasscheibe im Strahlengang so stoppt die Entladung des Elektroskops.

Auch wenn man die Lichtintensität auf der Zinkplatte deutlich erhöht (durch Verringerung des Abstandes Lampe-Platte) kommt es zu keiner Entladung, wenn die Glasscheibe im Strahlengang ist.

Bei der Wellenvorstellung vom Licht gehört zu einer größeren Lichtintensität eine höhere Amplitude der elektromagnetischen Welle. Eine höhere Amplitude - so die klassische Vorstellung - könnte die Elektronen in der Zinkplatte zu stärkeren Schwingungen anregen. Bei sehr hoher Lichtintensität sollten - nach dieser einfachen Vorstellung - die Elektronen leichter aus der Zinkplatte "gerissen" werden können. Dies passiert jedoch nicht!

Das Einbringen der Glasplatte bewirkt, dass die kurzwellige UV-Strahlung der Quecksilberdampflampe nicht mehr auf die Zinkplatte trifft. Die Komponente der Strahlung ist offensichtlich für das Herauslösen der Elektronen aus dem Zink verantwortlich (betrachten Sie hierzu auch die folgende Transmissionskurve von Licht durch Fensterglas).

Fazit: Das Einsetzen des Photoeffekts hängt nicht - wie man es nach der Wellenvorstellung erwarten würde - von der Intensität des Lichts ab. Ob Photoeffekt stattfindet, hängt vielmehr von der Wellenlänge bzw. der Frequenz des Lichts ab. Diese Erkenntnis brachte neben einigen weiteren Fakten (z.B. "augenblickliches" Einsetzen des Photoeffekts) die Wellentheorie des Lichts ins Wanken.

Hinweis: Bei welcher Frequenz (Grenzfrequenz) bzw. welcher Wellenlänge (Grenzwellenlänge) der Photoeffekt einsetzt, hängt in erster Linie vom bestrahlen Material ab. So gibt es Materialien, bei denen z.B. bereits rotes Licht den Photoeffekt auslösen kann.

Je höher die Lichtintensität auf der Zinkplatte ist, desto größer wird der Photostrom.

p align="JUSTIFY">Die Energie einer (punktförmigen) Lichtquelle verteilt sich auf einer Kugeloberfläche O = 4·π·d². Die Intensität J ist die Energie pro Fläche und Zeiteinheit J = E/(O·t), d.h. es gilt
\[J \sim \frac{1}{{{d^2}}}\quad(1)\]
Sollte die Intensität proportional zum Photostrom sein, so müsste gelten:
\[I \sim J \sim \frac{1}{{{d^2}}} \Rightarrow I \cdot {d^2} = const.\]

Das Licht fällt auf die Zinkplatte und löst negative Ladungsträger aus der Platte. Diese Ladungsträger wandern aufgrund der Polung der externen Spannungsquelle zum Pluspol (Spirale), es fließt ein Strom. Je höher die Lichtintensität ist, desto mehr Ladungsträger werden pro Zeiteinheit ausgelöst und desto größer ist der Strom. Im Photonenbild würde die Erklärung lauten: Je höher die Lichtintensität ist, desto mehr Photonen gelangen pro Zeiteinheit auf die Zn-Platte, es finden mehr "Elementarakte" statt, bei denen ein Photon einen negativen Ladungsträger aus der Zinkplatte löst. Der Strom steigt an.

Wie die nebenstehende Transmissionskurve zeigt, kann das UV-Licht kaum durch die Glasplatte dringen, während das sichtbare Licht zu einem erheblichen Teil durch die Glasplatte gelangt. Offensichtlich kann das sichtbare Licht mit den größeren Wellenlängen im Vergleich zum UV-Licht keinen Photoeffekt auslösen. Daher sinkt der Strom auf den Wert Null.

Auch eine massive Steigerung der Intensität des sichtbaren Lichts führt nicht zur Auslösung von Photoelektronen. Es kommt als auf die Wellenlänge des eingestrahlten Lichts an, ob überhaupt Photoeffekt stattfindet oder nicht (was mit der klassischen Wellenvorstellung vom Licht nicht erklärbar ist). Unterschreitet die Strahlung die Grenzwellenlänge für das Einsetzen des Photoeffekts, dann bewirkt eine höhere Intensität der Strahlung eine Erhöhung des Photostroms

Mit der dargestellten Anordnung lässt sich die spezifische Ladung der negativen Teilchen ermitteln. Dazu muss man die Spannung \(U\), die Flussdichte \(B\) des Magnetfeldes und die Ablenkung kennen. Bei Kenntnis der spezifischen Ladung weiß man mit sehr hoher Wahrscheinlichkeit auch die Identität der Teilchen. In dem Versuch ergab sich, dass beim Photoeffekt Elektronen aus der Zinkplatte gelöst wurden.