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Versuche

Versuche von HALLWACHS

Untersuchung der Entladung von Metallplatten durch Licht

Aufbau
Abb. 1 Versuchsaufbau

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).

1. Teilversuch : Bestrahlen einer zunächst ungeladenen (a) und später positiv geladenen (b) Platte

Durchführung
Abb. 2 Aufbau, Durchführung und Beobachtungen des 1. Teilversuchs, bei dem eine zuerst ungeladene und später postiv geladene Platte mit dem Licht einer Quecksilberdampflampe bestrahlt wird

Die Zinkplatte ist zunächst ungeladen und wird später positiv geladen und jeweils mit dem Licht der Quecksilberdampflampe bestrahlt.

Beobachtung
Aufgabe

Formuliere mit Hilfe der Animation in Abb. 2 die Beobachtungen des 1. Teilversuchs.

Lösung

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

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

2. Teilversuch : Bestrahlen einer negativ geladenen Platte

Durchführung
Abb. 3 Aufbau, Durchführung und Beobachtungen des 2. Teilversuchs, bei dem eine negativ geladene Platte mit dem Licht einer Quecksilberdampflampe bestrahlt wird

Die Zinkplatte wird negativ geladen und mit dem Licht der Quecksilberdampflampe bestrahlt.

Beobachtung
Aufgabe

Formuliere mit Hilfe der Animation in Abb. 3 die Beobachtungen des 2. Teilversuchs.

Lösung

Wenn die negativ geladene Platte mit dem Licht der Quecksilberdampflampe bestrahlt wird, dann verringert sich der Ausschlag des Elektroskops, die Platte wird also entladen. Dieses Entladen der negativ geladenen Platte ist ein Folge des sogenannten Photoeffektes.

Erklärung
Aufgabe

Formuliere eine zusammenfassende Erklärung für die Beobachtungen des 1. und des 2. Teilversuchs.

Lösung

Die Strahlung der Quecksilberdampflampe löst aus der Zinkplatte negative Ladungsträger aus. Genauere Untersuchungen (vgl. den folgenden Absatz) zeigen, dass es sich um Elektronen handelt. Dieses Auslösen von Elektronen aus Metallen durch Licht bezeichnet man als Photoeffekt.

Im 1. Teilversuch können die ausgelösten Ladungsträger die Platte nicht verlassen, da die elektrostatische Anziehung zwischen diesen negativen Ladungsträgern und der dann positiv geladenen Zinkplatte zu groß ist. Deshalb lädt sich das Elektroskop nicht positiv auf bzw. wird nicht stärker positiv aufgeladen.

Im 2. Teilversuch können die ausgelösten Ladungsträger die Platte verlassen, da sie von der negativ geladenen Platte abgestoßen werden. Deshalb entlädt sich das Elektroskop.

Magnetfeld
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Abb. 4 Verfahren zur Bestimmung des Ladungsvorzeichens und gegebenenfalls der spezifischen Ladung der Teilchen, die beim HALLWACHS-Versuch aus einer mit UV-Licht bestrahlten Zinkplatte ausgelöst werden

Die Animation in Abb. 4 zeigt das klassische 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.

Aufgabe

Erkläre, inwiefern es mit der in Abb. 4 skizzierten Anordnung möglich ist, die Identität der beim Photoeffekt ausgelösten negativen Ladungsträger zu klären.

Lösung

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.

3. Teilversuch : Bestrahlen einer negativ geladenen Platte, vor der sich eine Glasscheibe befindet (a) und Vergrößern der Strahlungsintensität bei weiterhin vorhandener Glasscheibe (b)

Aufbau und Durchführung
Abb. 5 Aufbau, Durchführung und Beobachtungen des 3. Teilversuchs, bei dem eine negativ geladene Platte, vor der sich eine Glasscheibe befindet, mit dem Licht einer Quecksilberdampflampe bestrahlt wird

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.

Beobachtung
Aufgabe

Formuliere mit Hilfe der Animation in Abb. 5 die Beobachtungen des 3. Teilversuchs.

Lösung

Wenn die negativ geladene Platte durch eine Glasscheibe mit dem Licht der Quecksilberdampflampe bestrahlt wird (a), verändert sich der Ausschlag des Elektroskops nicht, die Platte bleibt also negativ geladen.

Auch wenn die Quecksilberdampflampe näher an Glasscheibe und die negativ geladene Platte bewegt und dadurch die Intensität der Strahlung vergrößert wird (b), verändert sich der Ausschlag des Elektroskops nicht, die Platte bleibt also negativ geladen.

Aufgabe

Erläutere, inwiefern die Deutung dieses Versuches mit dem Wellenmodell des Lichts Schwierigkeiten bereitet.

Lösung

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!

Abb. 6 Transmissionskurve von Licht durch Fensterglas

Das Einbringen der Glasplatte bewirkt, dass die kurzwellige UV-Strahlung der Quecksilberdampflampe nicht mehr auf die Zinkplatte trifft. Betrachte hierzu auch die Transmissionskurve von Licht durch Fensterglas in Abb. 6.

Erklärung
Aufgabe

Formuliere eine zusammenfassende Erklärung für die Beobachtungen des 3. Teilversuchs.

Lösung

Offensichtlich ist der UV-Anteil der Strahlung der Hg-Lampe für das Herauslösen der Elektronen aus dem Zink verantwortlich.

Das Einsetzen des Photoeffekts hängt hingegen 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 Stroms bei der Entladung von Metallplatten durch Licht

Aufbau
Abb. 7 Versuchsaufbau

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.

Durchführung
Abb. 8 Aufbau, Durchführung und Beobachtungen des Versuchs, bei dem die Stärke des Photostroms in Abhängigkeit von der Lichtintensität und einer in den Strahlengang gehaltenen Glasplatte untersucht wird

Die nebenstehende Animation zeigt die Durchführung folgender Teilversuche:

a) Beleuchtung der Zinkplatte mit Hg-Lampe (ohne Glasplatte im Strahlengang) aus großer Entfernung.

b) Annäherung der Hg-Lampe an die Zinkplatte (ohne Glasplatte im Strahlengang).

c) Beleuchtung der Zinkplatte mit Hg-Lampe (mit Glasplatte im Strahlengang) aus großer Entfernung.

d) Annäherung der Hg-Lampe an die Zinkplatte (mit Glasplatte im Strahlengang).

Beobachtung
Aufgabe

Formuliere mit Hilfe der Animation in Abb. 7 die Beobachtungen der vier Teilversuche a), b), c) und d).

Lösung

a) Wenn man die Quecksilberdampflampe einschaltet, fließt ein kleiner Strom.

b) Je näher man die eingeschaltete Quecksilberdampflampe der Zinkplatte nähert und damit die Lichtintensität erhöht, desto größer wird die Stromstärke.

c) Wenn sich zwischen Quecksilberdampflampe und Zinkplatte eine Glasscheibe befindet und man die Quecksilberdampflampe einschaltet, fließt kein Strom.

d) Auch wenn man die eingeschaltete Quecksilberdampflampe der Zinkplatte nähert und damit die Lichtintensität erhöht, fließt kein Strom.

Aufgabe

Zusammenhang zwischen der Lichtintensität \(J\) und der Stromstärke \(I\)

Formuliere einen qualitativen Zusammenhang zwischen der Lichtintensität \(J\) und der Stromstärke \(I\) bei Teilversuch b).

Lösung

Je höher die Lichtintensität \(J\) auf der Zinkplatte ist, desto größer wird der Photostrom, d.h. die Stromstärke \(I\).

In der folgenden Tabelle ist der Zusammenhang zwischen dem Abstand \(d\) von Zinkplatte und Hg-Lampe und der Stromstärke \(I\), die vom Messverstärker registriert wird, angegeben. Bei der Messung wurde die Zinkplatte immer voll beleuchtet. Als Abstand \(d\) wurde der Abstand vom Leuchtpunkt der Lampe zur Platte.

Tab. 1a Abhängigkeit der Stromstärke \(I\) vom Abstand \(d\)
Abstand \(d\) in \(\rm{cm}\) \(20\) \(40\) \(60\)
Stromstärke \(I\) in \(10^{-9}\,\rm{A}\) \(3{,}2\) \(0{,}80\) \(0{,}40\)

Hinweise:

  • Die Energie einer (punktförmigen) Lichtquelle verteilt sich auf einer Kugeloberfläche \(O = 4 \cdot \pi \cdot d^2\).
  • Die Intensität \(J\) ist die Energie pro Fläche und Zeiteinheit. Für sie gilt somit \(J = \frac{E}{O \cdot t}\).

Untersuche rechnerisch, ob sich aus den Messwerten in Tab. 1 ein proportionaler Zusammenhang zwischen \(J\) und \(I\) bestätigen lässt.

Lösung

Aus \(O = 4 \cdot \pi \cdot d^2\) und \(J = \frac{E}{O \cdot t}\) ergibt sich\[J = \frac{E}{4 \cdot \pi \cdot d^2 \cdot t} \sim \frac{1}{d^2}\]Um also einen proportionalen Zusammenhang zwischen \(J\) und \(I\) zu bestätigen müsste gelten\[I \sim J \sim \frac{1}{{{d^2}}} \Rightarrow I \cdot {d^2} = const.\].

Tab. 1b Abhängigkeit der Stromstärke \(I\) vom Abstand \(d\)
Abstand \(d\) in \(\rm{cm}\) \(20\) \(40\) \(60\)
Stromstärke \(I\) in \(10^{-9}\,\rm{A}\) \(3{,}2\) \(0{,}80\) \(0{,}40\)
\(I \cdot d^2\) in \(10^{-6}\,\rm{A\,cm^2}\) \(1{,}3\) \(1{,}3\) \(1{,}4\)

Damit ist die Proportionalität zwischen Lichtintensität und Stromstärke bestätigt.

Beschreiben Sie in einigen Sätzen, welche "atomaren Vorgänge" sich bei den Teilversuchen 1 und 2 abspielen.

Lösung

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.

Aufgabe

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.

Lösung

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?

Lösung

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