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?

Versuche von HALLWACHS

1. Versuch

Aufbau

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 UV-Lampe, die sowohl sichtbares als auch ultraviolettes Licht aussendet.

Die Aufladung des Elektroskops 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

Die Zinkplatte wird zunächst gar nicht und später positiv geladen und jeweils mit dem Licht der Hg-Lampe (Quecksilberdampflampe mit hohem UV-Anteil) bestrahlt.

Dokumentiere mit Hilfe der nebenstehenden Animation das Versuchsergebnis.

 

2. Teilversuch

Die Zinkplatte auf dem Elektroskop wird negativ geladen und anschließend mit dem Licht der Hg-Lampe bestrahlt.

Dokumentiere mit Hilfe der nebenstehenden Animation das Versuchsergebnis und versuche, das Ergebnis der Teilversuche 1 und 2 zu deuten.

 

3. Teilversuch

Die Zinkplatte auf dem Elektroskop wird negativ geladen und anschließend mit Licht der Hg-Lampe 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.

 

2. Versuch

Bestrahlungsstärke und Photostrom

Einer Zinkplatte wird eine spirlaförmige Gegenelektrode gegenübergestellt. Zwischen der negativ geladenen Platte und der Gegenelektrode herrscht eine Spannung von ca. 1kV. Der an der Gegenelektrode ankommende Fluss negativer Ladungen wird mit einem Messverstärker samt angeschlossenem Anzeigegerät registriert.

Die Beleuchtung der Zinkplatte geschieht durch eine Quecksilberdampflampe, die sowohl UV-Strahlung als auch sichtbares Licht aussendet.

Die nebenstehende Animation zeigt folgende Versuchsteile:

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

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

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

  4. 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.

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?

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

 

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.

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?

 

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.

Magnetfeld
HTML5-Canvas nicht unterstützt!
8 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
Verständnisaufgabe

Erkläre, inwiefern es mit der nebenstehend 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.

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