Quantenphysik
Quantenobjekt Photon
Versuche von HALLWACHS
- Wie überträgt Licht seine Energie?
- Was sind eigentlich Photonen?
- Licht – auch nicht mehr als Billardkugeln?
- Können Teilchen aus Strahlung entstehen?
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Versuche von HALLWACHS
Untersuchung der Entladung von Metallplatten durch Licht
Aufbau und Durchführung
Eine frisch mit Sandpapier abgeschmirgelte Zinkplatte wird auf den Kopf des Elektroskops gesteckt. In einigen Zentimetern Abstand von der Zinkplatte wird eine geerdete Drahtspirale aufgestellt.
Als Lichtquelle dient eine Quecksilberdampflampe (Hg-Lampe), die sowohl sichtbares als auch ultraviolettes Licht aussendet.
Das Laden der Platte erfolgt mittels einer Hochspannungsquelle oder mit geriebenen Stäben (der mit dem Katzenfell geriebene Hartgummistab liefert negative Ladung; der mit Leder geriebene Glasstab positive Ladung).
Die Zinkplatte ist zunächst ungeladen und wird später positiv geladen und jeweils mit dem Licht der Quecksilberdampflampe bestrahlt.
Beschreibe mit Hilfe der Animation in Abb. 2 die Beobachtungen des 1. Teilversuchs.
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.
Die Zinkplatte wird negativ geladen und mit dem Licht der Quecksilberdampflampe bestrahlt.
Beschreibe mit Hilfe der Animation in Abb. 3 die Beobachtungen des 2. Teilversuchs.
Wenn die negativ geladene Platte mit dem Licht der Quecksilberdampflampe bestrahlt wird, dann verringert sich der Ausschlag des Elektroskops, die Platte wird also entladen.
Formuliere eine zusammenfassende Erklärung für die Beobachtungen des 1. und des 2. Teilversuchs.
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.
Die Zinkplatte auf dem Elektroskop wird negativ geladen und anschließend mit Licht der Quecksilberdampflampe bestrahlt und zugleich eine Glasplatte in den Strahlengang gebracht.
Anschließend wird die Bestrahlungsintensität an der Zinkplatte dadurch erhöht, dass man die Quecksilberdampflampe annähert.
Erläutere, inwiefern die Deutung dieses Versuches mit dem Wellenmodell des Lichts Schwierigkeiten bereitet.
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.
Untersuchung des Photostroms
Aufbau und Durchführung
Eine frisch mit Sandpapier abgeschmirgelte Zinkplatte wird an den negativen Pol einer Hochspannungsquelle angeschlossen. In einigen Zentimetern Abstand von der Zinkplatte wird eine Drahtspirale als Gegenektrode aufgestellt, die an den positiven Pol der Hochspannungsquelle angeschlossen ist. Zwischen der negativ geladenen Platte und der Drahtspirale herrscht eine Spannung von ca. \(1\,\rm{kV}\).
Der an der Gegenelektrode ankommende Strom negativer Ladungen wird mit einem Messverstärker samt angeschlossenem Anzeigegerät registriert.
Als Lichtquelle dient eine Quecksilberdampflampe (Hg-Lampe), die sowohl sichtbares als auch ultraviolettes Licht aussendet.
Die nebenstehende Animation zeigt folgende Versuchsteile:
-
Beleuchtung der Zinkplatte mit Hg-Lampe (ohne Glasplatte im Strahlengang) aus großer Entfernung.
-
Annäherung der Hg-Lampe an die Zinkplatte (ohne Glasplatte im Strahlengang).
-
Beleuchtung der Zinkplatte mit Hg-Lampe (mit Glasplatte im Strahlengang) aus großer Entfernung.
-
Annäherung der Hg-Lampe an die Zinkplatte (mit Glasplatte im Strahlengang).
Zusammenhang zwischen Stromstärke I und Lichtintensität J
Formuliere einen qualitativen Zusammenhang zwischen I und J bei Teilversuch 2.
Je höher die Lichtintensität auf der Zinkplatte ist, desto größer wird der Photostrom.
In der folgenden Tabelle ist der Zusammenhang zwischen dem Abstand d von Zinkplatte und Hg-Lampe und dem Strom I, welcher vom Messverstärker registriert wird, angegeben.
| Abstand Lampe - Zinkplatte: d | Strom: I |
| 20 cm | 3,2·10-9A |
| 40 cm | 0,8·10-9A |
| 60 cm | 0,4·10-9A |
Anmerkungen: Die Zinkplatte wurde immer voll beleuchtet. Als Abstand misst man den Abstand vom Leuchtpunkt der Lampe zur Platte.
Welcher Zusammenhang lässt sich aus dieser Tabelle zwischen I und J entwickeln?
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:
\[I \sim J \sim \frac{1}{{{d^2}}} \Rightarrow I \cdot {d^2} = const.\]
| Abstand Lampe - Zinkplatte: d | Strom: I | I·d2 |
| 20 cm | 3,2·10-9A | 1,3·10-6A·cm2 |
| 40 cm | 0,8·10-9A | 1,3·10-6A·cm2 |
| 60 cm | 0,4·10-9A | 1,4·10-6A·cm2 |
Beschreiben Sie in einigen Sätzen, welche "atomaren Vorgänge" sich bei den Teilversuchen 1 und 2 abspielen.
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.
Zusammenhang zwischen Strom I und Lichtfrequenz f
Erläutere, warum bei Teilversuch 3 der Strom auf Null abfällt, obwohl scheinbar die Helligkeit auf der Zinkplatte nicht merklich nachlässt. Ziehe dazu die nebenstehende Transmissionskurve mit in Betracht. Sie zeigt, welcher Prozentsatz des Lichtes einer bestimmten Wellenlänge durch Fensterglas hindurch tritt.
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.
Bei Teilversuch 4 wird die Lichtintensität (mit Glasplatte im Strahlengang) erheblich gegenüber Teilversuch 3 gesteigert. Welchen Schluss kann man daraus ziehen, dass der Strom trotzdem beim Wert Null bleibt?
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
Die nebenstehende Animation zeigt ein mögliches Verfahren, um zum einen das Ladungsvorzeichen der Teilchen zu bestimmen, die bei der Bestrahlung mit UV-Licht aus der Zinkplatte ausgelöst werden.
Zum anderen kann man mit dieser Anordnung auch die spezifische Ladung dieser Teilchen bestimmen, wenn man einige messbare Parameter der Anordnung kennt.
Erkläre, inwiefern es mit der nebenstehend skizzierten Anordnung möglich ist, die Identität der beim Photoeffekt ausgelösten negativen Ladungsträger zu klären.
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.
