Photoeffekt
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Experimentelle Betrachtung Theoretische Betrachtung Photoeffekt 9. April 2012 Photoeffekt Experimentelle Betrachtung Theoretische Betrachtung Inhalt 1 Experimentelle Betrachtung 2 Theoretische Betrachtung Photoeffekt Experimentelle Betrachtung Theoretische Betrachtung Einleitung Photoelektrischer Effekt beschreibt drei verschiedene Arten von Wechselwirkung von Photonen mit Materie Äußerer photoelektrischer Effekt / Photoemission Innerer photoelektrischer Effekt Photoionisation Im weiteren wird nur der äußere photoelektrische Effekt behandelt. Photoeffekt Experimentelle Betrachtung Theoretische Betrachtung Entdeckungsverlauf 1839 Becquerel: Herauslösung von Ladungsträgern aus einer blanken Metalloberfläche unter Lichteinstrahlung 1886/1887 Hertz: lichtelektrischer Effekt: Herauslösung von Elektronen aus einer Metalloberfläche durch UV-Licht Hallwachs: weitere Untersuchungen ( Goldblattelectroskop ) 1900 Lenard: Untersuchungen im Hochvakuum → Bestimmung der Ladungsträger als Elektronen, Abhängigkeiten von Frequenz und Bestrahlungsstärke 1912-1915 Millikan: Bei Einsteins Erklärungen vorkommender Proportionalitätsfaktor ist Planck’sches Wirkungsquantum Photoeffekt Experimentelle Betrachtung Theoretische Betrachtung Experimenteller Befund 1 Es existiert eine materialabhängige, untere Grenzfrequenz νg 2 Die kinetische Energie der ausgelösten Elektronen steht in linearem Zusammenhang zur Frequenz des Lichtes, ist aber unabhängig von der Intensität des Lichtes 3 Für Frequenzen ν ≥ νg ist die Zahl der emittierten Photoelektronen proportional zur eingestrahlten Lichtintensität. 4 Photoeffekt erfolgt ohne zeitliche Verzögerung ( < 10−9 s ) Photoeffekt Experimentelle Betrachtung Theoretische Betrachtung Widersprüche zur (reinen) Wellennatur Prinzipiell Erklärung durch klassisches Wellenbild möglich: Feldstärkevektor der autreffenden Welle zwingt die Metallelektronen zum Schwingen → Resonanz zwischen der Eigenfrequenz und der Wellenfrequenz → große Amplitude führt zur Abtrennung von Elektronen → Zusammenhang zwischen Intensität der einfallenden Welle und der kinetischen Energie der Elektronen 1 Widerspruch: Es gibt keinen Zusammenhang zwischen Intensität der Welle und kinetischer Energie des Elektrons 2 Widerspruch: Anregung durch Welle kann nicht so schnell ablaufen Photoeffekt Experimentelle Betrachtung Theoretische Betrachtung Lichtquantenhypothese Die präzise Deutung des Photoeffekts gelang Einstein im Jahr 1905 mit seiner Lichtquantenhypothese. Diese knüpft an die Planck’sche Quantenhypothese zur Wärmestrahlung an. Theorem Die Strahlung der Frequenz ν verhält sich bei der Wechselwirkung mit Materie wie eine Ansammlung von Lichtquanten (Photonen) mit der Energie E =hν Ist die quantisierte Energie eines Photons. Jedes herausgelöste Elektron hat genau die Energie eines Photons absorbiert und damit seine Energie um genau den Wert erhöht. Photoeffekt Experimentelle Betrachtung Theoretische Betrachtung Austrittsarbeit Jedes Elektron verbraucht die materialspezifische Austrittsarbeit WA . Die übrig bleibende Energie verbleibt dem Elektron als kinetische Energie. Theorem 1 E = h · ν = mv 2 + WA 2 Die Austrittsarbeit hier ist identisch mit der Austrittarbeit bei der thermischen Befreiung von Elektronen aus Metallen (Glühemission) Theorem hνg = WA Photoeffekt Experimentelle Betrachtung Theoretische Betrachtung Fazit Licht hat sowohl Welleneigenschaften, als auch Teilcheneigenschaften → Welle-Teilchen-Dualismus Photoeffekt und Comptoneffekt sind überzeugende experimentelle Beweise der Teilchenatur des Lichtes. Photoeffekt Experimentelle Betrachtung Theoretische Betrachtung Literatur Wikipedia (Deutsche Sprachversion): http://de.wikipedia.org/wiki/Photoelektrischer Effekt Nolting, Wolfgang: Grundkurs Theoretische Physik Quantenmechanik Teil 1. Vieweg, Braunschweig / Wiesbaden 2000. Photoeffekt
