I. Eigenschaften von Quantenobjekten Licht ist nicht nur eine

I. Eigenschaften von Quantenobjekten
Licht ist nicht nur eine elektromagnetische Welle, sondern auch eine
Wahrscheinlichkeitswelle, die sich im Raum ausbreitet.
Licht wird in Form von Photonen emittiert und absorbiert.
Das Verhalten von submikroskopischen Quantenobjekten wie Elektronen oder
Photonen wird durch eine Wahrscheinlichkeitswelle beschrieben.
Für Quantenobjekte gilt die Unschärferelation, nach der die Genauigkeit einer
gleichzeitigen Angabe von Ort und Impuls einer grundsätzlichen Grenze
unterliegt.
1.1 Quantelung elektromagnetischer Strahlung (ElMa-Strahlung)
Rückblick aus Physik Q11
Übung 3 : Thomsonformel zur
Berechnung der Eigenfrequenz eines
Schwingkreises
a) Berechne die Frequenz, mit der ein
Schwingkreis, bestehend aus einem
Kondensator (C=40𝜇𝐹) und einer Spule
(L=630H) schwingt.
b) Wie muss man den Wert der Kapazität
abändern, damit die Frequenz auf die
Hälfte des bei Teilaufgabe a)
berechneten Wertes absinkt?
Formeln aus der Q11 :
1
𝜔=
𝐿𝐶
Formeln aus der P10:
𝜔 = 2𝜋𝑓
Thomsonformel zur Berechnung der
Eigenfrequenz eines Schwingkreises
a) Berechne die Frequenz, mit der ein
Schwingkreis, bestehend aus einem
Kondensator (C=40𝜇𝐹) und einer Spule
(L=630H) schwingt.
b) Wie muss man den Wert der Kapazität
abändern, damit die Frequenz auf die
Hälfte des bei Teilaufgabe a)
berechneten Wertes absinkt?
1.1 Quantelung elektromagntischer Strahlung (ElMa-Strahlung)
Rückblick aus Physik Q11
1.1 Quantelung elektromagntischer Strahlung (ElMa-Strahlung)
Rückblick aus Physik Q11
1.1 Quantelung elektromagentischer Strahlung (ElMa-Strahlung)
Lichtwelle setzt sich nach der klassischen Sichtweise aus einem elektrischen
Wellenfeld (E-Feld) und einem magnetischen Wellenfeld (B-Feld) zusammen, d.h.
beide Bestandteile breiten sich wellenförmig im Raum aus :
Die Intensität einer elektromagnetischen Welle ist proportional zum Quadrat
ihrer Amplitude : I ~ E². (E für Feldstärke)
1.1.1 der lichtelektrische Effekt
Grundversuch : Eine negativ geladene Metallplatte entlädt sich bei
Bestrahlung mit einer UV-Lampe, eine positiv geladene nicht.
UV-Lampe
Metallplatte
Deutung : Licht ist in der Lage,
negativ geladene Elektronen aus
einer Metalloberfläche
herauszulösen (Fotoelektronen).
Dazu muss es Energie an die
Elektronen übertragen.
1.1.1 der lichtelektrische Effekt
Variation : Die Zinkplatte und eine spiralförmige Elektrode (negativ geladen) werden
in Reihe mit einem Strommessverstärker an ein Hochspannungsnetzgerät
angeschlossen. Durch die Spiralelektrode hindurch wird die Zinkplatte mit dem Licht
der UV-Lampe bestrahlt. In den Strahlengang kann zur Abschirmung der UVStrahlung eine Glasplatte eingebracht werden.
Glasscheibe
Spiralelektrode
3kV-Netzgerät
Strommessverstärker
1.1.1 der lichtelektrische Effekt
Beobachtung : Das Messgerät zeigt einen elektrischen Strom an. Wird die
Glasscheibe in den Strahlengang gehalten, sinkt die Stromstärke sofort auf null ab.
Nach dem Entfernen der Glasscheibe steigt die Stromstärke ohne Verzögerung auf
den ursprünglichen Wert an.
Glasscheibe
Spiralelektrode
3kV-Netzgerät
Strommessverstärker
1.1.1 der lichtelektrische Effekt
Deutung : Aus der Zinkplatte werden Fotoelektronen herausgelöst, die sich im
elektrischen Feld zur Spiralelektrode hin bewegen, sodass der Messverstärker
einen Strom anzeigt. Die Stromstärke ist proportional zur Anzahl der in einer
Zeiteinheit ausgelösten Elektronen.
Da die Glasscheibe den UV-Anteil der Strahlung abschirmt, muss für das
Herauslösen der Elektronen auf der Zinkplatte allein die UV-Strahlung
verantwortlich sein.
Glasscheibe
Spiralelektrode
3kV-Netzgerät
Strommessverstärker
1.1.1 der lichtelektrische Effekt
• Warum Fotoeffekt nur bei kurzwelliger UV-Strahlung und nicht schon bei
sichtbarem Licht?
Klassisch : durch ElMa-Welle übertragene Energie nur von Amplitude und nicht
1
von Frequenz abhängig : Eem=2 𝐴 ∙ 𝜀 𝐸 2 + 𝜇|𝐻|² mit Amplituden E und H
(elektrisches und magnetisches Feld)
• Warum tritt der Fotoeffekt sofort nach dem Entfernen der Glasscheibe ein?
Klassisch : Nach klassischer Vorstellung wird Lichtenergie gleichmäßig in alle
Richtungen abgestrahlt und die Strahlungsenergie gleichmäßig auf die Zinkplatte
verteilt. Die sich daraus ergebende Zeitspanne, bis genug Energie „gesammelt“
wurde um ein Elektron auszulösen liegt in der Größenordnung von einigen
Sekunden wie eine Überschlagsrechnung zeigt.
Übung 4: Schätze das Zeitintervall ∆𝑡 ab das laut der klassischen Lichtwellentheorie
vergehen müsste, bis nach dem Entfernen der Glasscheibe der Fotoeffekt einsetzten.
Nimm dazu an, dass zum Herauslösen eines der im Material frei beweglichen
Leitungselektronen aus der Metalloberfläche die Austrittsenergie EA=4,3 eV notwendig ist
und jedes Zinkatom genau ein Leitungselektron zur Verfügung stellt, d.h. für ein
Leitungselektron durchschnittlich die Energie zur Verfügung steht, die auf die
Querschnittsfläche AAtom eines Zinkatoms eingestrahlt wird.
Die Strahlungsleistung P der Lampe sei 20 W, der Abstand d der Zinkplatte sei 1,0m.
(Aus dem Ölfleckversuch ergibt sich eine Abschätzung des Atomradius r=10-10m)
Fläche eines Zinkatoms AAtom
1.1.1 der lichtelektrische Effekt
Quantitativer Photoeffekt : Die Intensität des Lichtes auf der Zinkplatte wird
geändert, indem der Abstand zwischen der Platte und der Lampe variiert wird, denn
die von einem Strahlungskegel beleuchtete Fläche ist proportional zum Quadrat des
Abstands der Fläche von der Lichtquelle.
Beobachtung : Die Stromstärke und damit die Anzahl der in der Zeiteinheit
ausgelösten Elektronen wächst mit der Intensität an. Bei Halbierung des Abstands,
also bei vierfacher Strahlungsintensität, wird auch die vierfache Fotostromstärke
gemessen.
Befindet sich die Glasscheibe im Strahlengang, so geht die Stromstärke auf den Wert
null zurück, auch bei stark erhöhter Intensität. Es werden dann also keine
Elektronen mehr ausgelöst.
Das Auftreten des Fotoeffekts hängt von der Frequenz der Strahlung ab,
nicht von ihrer Intensität. Eine Erhöhung der Intensität führt zu einer
höheren Fotostromstärke, falls die Frequenz der Strahlung für das
Herauslösen der Fotoelektronen ausreicht. Das verzögerungslose Einsetzen
des Fotoeffekts kann ebenso wie die Frequenzabhängigkeit mit der
Auffassung von Licht als elektromagnetischer Welle nicht erklärt werden.
Übung 5: „Die Energie einer Schwingung ist proportional zum Quadrat ihrer Amplitude
und unabhängig von der Frequenz.“
Erörtern Sie die Gültigkeit dieser Aussage am Beispiel eines ungedämpften
elektromagnetischen Schwingkreises.
Übung 6: Berechnen Sie die Strahlungsleistung, die eine UV-Lampe haben müsste, um
nach dem klassischen Wellenbild auf einer Zinkplatte im Abstand d=1,0m den Fotoeffekt
innerhalb von 1,0s auslösen zu können.
Vergleichen Sie Ihr Ergebnis mit der elektrischen Leistungsaufnahme der UV-Lampe von
250 W.