Der Photoeffekt

Eine negativ geladene, geschmirgelte Zinkplatte verliert ihre Ladung, wenn man sie mit Ultraviolettlicht bestrahlt. Diese Erscheinung wird als äußerer Photoeffekt (photoelektrischer Effekt, lichtelektrischer Effekt) bezeichnet.

Genauere Untersuchungen gegen Ende des 19. Jahrhunderts ergaben, dass der Photoeffekt auch bei anderen Materialien auftritt, und zwar immer nur bei Verwendung von genügend kurzwelligem Licht. Zu jedem Stoff gibt es eine bestimmte Grenzwellenlänge, ab der man den Photoeffekt beobachtet. Rätselhaft erschien den Forschern vor allem die Tatsache, dass langwelliges Licht auch bei größter Intensität keine solche Wirkung hervorruft.

Die Erklärung lieferte schließlich Albert Einstein im Jahre 1905: Licht besteht aus Teilchen (Photonen), wobei die Energie eines Photons proportional zur Frequenz des Lichtes ist. Für ein Elektron an der Oberfläche einer Zinkplatte oder eines anderen Festkörpers ist eine bestimmte (materialabhängige) Energie erforderlich, um es abzutrennen (Austrittsarbeit). Ist nun die Energie eines Photons größer als dieser Wert, so kann das Elektron herausgelöst werden. Aus dieser Erklärung ergibt sich folgende Beziehung:

Ekin   =   h f   –   W

Ekin ... Maximale kinetische Energie eines ausgelösten Elektrons
h ..... Plancksches Wirkungsquantum (6,626 10-34 Js)
f ..... Frequenz
W ..... Austrittsarbeit

Das folgende Java-Applet simuliert einen Versuchsaufbau zur Bestimmung des planckschen Wirkungsquantums und der Austrittsarbeit: Aus dem Licht einer Quecksilberdampflampe wird eine einzige Spektrallinie herausgefiltert. Dieses Licht trifft auf die Kathode (K) einer Photozelle und löst dort den Photoeffekt aus (oder auch nicht). Um die maximale kinetische Energie der austretenden Elektronen zu bestimmen, wird mit Hilfe einer Potentiometerschaltung eine Gegenspannung so weit erhöht, bis die Elektronen nicht mehr an der Anode (A) ankommen. Das blaue Messgerät zeigt den Wert dieser Gegenspannung an. Ob noch Elektronen die Anode erreichen, ist an dem roten Messgerät erkennbar.

Auf der Schaltfläche lassen sich das Kathodenmaterial, die Wellenlänge und die Gegenspannung einstellen. Die angegebenen Zahlenwerte beziehen sich auf die Frequenz des Lichtes und die Energiebilanz beim Photoeffekt. Die Messergebnisse werden links unten in ein Frequenz-Spannungs-Diagramm eingezeichnet, können aber mit Hilfe des Buttons wieder gelöscht werden.

Die Auswertung der drei Messreihen mit Hilfe des f-U-Diagramms ergibt drei parallele Geraden. Aus der Steigung dieser Geraden lässt sich das plancksche Wirkungsquantum berechnen. Die Austrittsarbeit für das jeweilige Kathodenmaterial (in eV, d.h. Elektronenvolt) ergibt sich unmittelbar aus dem Schnittpunkt mit der senkrechten Achse.

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URL: http://www.walter-fendt.de/ph14d/photoeffekt.htm
© Walter Fendt, 20. Februar 2000
Letzte Änderung: 22. Dezember 2007