Der Photoeffekt - Erklärung, Experiment, Berechnungen (Quantenphysik)
Think Logic
https://www.youtube.com/watch?v=8HSO9Z6haGc

Transkript (automatisch erstellt)

0:00 Zu einem heutigen Video schauen wir uns den sogenannten Fotoeffekt an. Zuerst schauen wir uns das Experiment an, bei dem dieser Effekt auftritt und dann
0:08 werde ich dir zeigen, wie man sich diesen Effekt erklären kann. Das Experiment ist eigentlich ziemlich einfach. Wir haben hier zwei Platten,
0:16 die sind aus irgendeinem Material und wir beschießen eine dieser beiden Platten mit Licht. Was jetzt nämlich passieren kann, ist, dass wenn ein
0:25 Lichtstrahl auf ein Elektron trifft, dass dieses Elektron dann aus dem Atom herausgelöst wird. Wenn hier ein Elektron herausgelöst
0:37 wird, dann wird sich in diese Richtung bewegen und auf diese Platte treffen und es wird hier in diesem Stromkreis ein elektrischer Strom fließen und diesen
0:46 Strom, den können wir dann messen. So, sagen wir mal, wir bestrahlen diese Platte einmal mit sichtbarem Licht, mit rotem sichtbarem Licht, das hat ungefähr
0:56 eine Wellenlänge von 450 Terahertz. Und was wir jetzt messen, ist gar
1:05 nichts. Das heißt, wir messen hier keinen Strom, das bedeutet, es werden aus dieser Platte keine Elektronen herausgelöst.
1:14 Jetzt können wir auf die Idee kommen, erhöhen wir einfach mal die Intensität von diesem Licht. Das bedeutet, schalten wir z.B. mal eine zweite Lampe dazu. Das
1:23 heißt, wir erhöhen die Intensität von diesem Licht. Und was wir dann messen, ist noch immer gar nichts. Wir haben hier keinen Strom, das heißt, es werden
1:31 keine Elektronen herausgelöst. So, was können wir jetzt noch machen? Wir könnten z.B. diese Frequenz hier oben erhöhen. Machen wir das mal. Sagen
1:41 wir mal, wir beschießen diese Platte jetzt nicht mit rotem Licht, sondern mit grünem Licht. Grünes Licht hat nämlich eine Frequenz
1:50 von ungefähr 550 Terahertz. Was wir jetzt messen, ist, dass wir hier einen Strom haben. Das wir hier einen Strom haben und das bedeutet, es werden
2:01 hier Elektronen aus diesem Material herausgelöst. Wir könnten jetzt so weitermachen. Erhöhen wir z.B. mal die Intensität in
2:09 diesem Fall. Das heißt, wir schalten z.B. noch eine zweite Lampe dazu. Was wir dann messen würden, ist, dass sich dieser Strom I
2:18 erhöht. Das heißt, es werden mehr Elektronen aus den Atomen gerissen. Und das ist jetzt auch interessant, weil in diesem Fall
2:27 jetzt bewirkt eine Erhöhung dieser Intensität vom Licht eine Erhöhung dieses Stromes. In diesem Fall vorher bewirkt eine Erhöhung der Intensität gar
2:37 nichts. Da hat sich gar nichts getan bei diesem Strom. Und dieses ganze Experiment, was ich jetzt hier beschrieben habe, das wird
2:45 als der Photoeffekt bezeichnet. Und die Frage ist jetzt, wie kann man sich diesen Effekt erklären? Und das geht folgendermaßen. Wir dürfen uns Licht
2:55 jetzt nicht mehr als eine elektromagnetische Welle vorstellen, sondern als einen Teilchenstrom. Und ein Lichtteilchen, das wird als
3:05 Photon bezeichnet. Das heißt, Licht, das ist ein Strom aus Pho- aus Photonen. Und die Energie von so einem Photon, die kann man mit folgender Formel berechnen.
3:17 E ist gleich H mal F. F, das ist die Frequenz vom Licht. Und H, das ist eine Konstante. Das ist das sogenannte Plancksche Wirkungsquantum.
3:29 Und mit dieser Teilcheninterpretation vom Licht, mit der sollten wir jetzt in der Lage sein, den Photoeffekt zu erklären.
3:36 Das heißt, dieses Licht, das wir hier auf dieses Material schicken, das ist eigentlich ein Teilchenstrom aus Photonen. Und jedes einzelne Photon hat
3:45 die Energie H mal F. Was wird dann hier passieren? Schauen wir uns das Ganze mal hier an. Wir schicken einmal ein einzelnes Photon auf
3:56 dieses Elektron. Wenn dieses Photon jetzt aber wie hier oben eine kleine Frequenz hat, dann hat es auch eine kleine Energie. Das sieht
4:05 man ganz einfach, wenn man sich diese Formel anschaut. Und wenn dieses Photon eine kleine Energie hat, dann hat es nicht genug
4:12 Energie, um dieses Elektron herauszureißen. Das heißt, das ist nicht möglich. Und wenn wir jetzt, wie wir es hier oben
4:19 gemacht haben, die Intensität erhöhen, dann schicken wir einfach mehr Photonen auf dieses Material, aber jedes einzelne Photon ist noch immer nicht in der Lage,
4:29 dieses Elektron herauszureißen. Und deswegen tut sich dann noch immer gar nichts. Anders ist es aber, wenn wir die
4:37 Frequenz erhöhen. Wenn wir nämlich die Frequenz erhöhen, dann erhöhen wir die Energie der einzelnen Photonen und dann sind diese Photonen in der Lage, die
4:47 Elektronen herauszureißen. Das heißt, wenn wir noch mal schnell, eine Erhöhung der Frequenz führt zu einer Erhöhung der Energie der einzelnen
4:55 Photonen. Wenn die Photonen genug Energie haben, dann können sie die Elektronen aus den Atomen herauslösen. Und wenn das passiert, dann können wir
5:04 hier einen Strom messen. Was wir vorher jetzt noch gemacht haben, wir haben die Intensität von diesem Licht erhöht. Das heißt, wir haben mehr
5:13 Photonen auf dieses Material geschickt. Und wenn mehr Photonen auf dieses Material geschickt werden, dann werden mehr Elektronen
5:21 herausgelöst, weil ja jedes einzelne Photon ein Elektron herauslösen kann. Und dann erhöht sich auch dieser Strom. Und damit haben wir jetzt gesehen, dass
5:31 man mit dieser Teilcheneigenschaft vom Licht den Photoeffekt ziemlich einfach erklären kann. Und jetzt möchte ich mir noch mal
5:39 Folgendes anschauen. Was wird jetzt passieren, wenn wir in diesem Fall jetzt die die diese Frequenz noch weiter erhöhen?
5:48 Wenn wir die Frequenz noch weiter erhöhen, das bedeutet, wir schicken z.B. blaues Licht auf dieses Material. Blaues Licht hat eine Frequenz von ungefähr 650
5:58 Terahertz. Was jetzt passieren wird, ist, dass nicht mehr Elektronen herausgelöst werden, sondern, dass die einzelnen
6:06 Elektronen eine größere kinetische Energie haben. Wie kann man sich das jetzt erklären? Versuchen wir mal die kinetische Energie
6:14 von diesen Fotoelektronen zu berechnen. Wie könnten wir denn das machen? Kann man die kinetische Energie von den Elektronen berechnen?
6:22 Schauen wir uns mal diese Abbildung dafür genauer an. Hier kommt ein Photon daher mit der Energie E = H * F. Und dieses Photon,
6:32 das gibt die gesamte Energie an dieses Elektron weiter. Das heißt, man könnte jetzt vielleicht denken, dass die kinetische Energie
6:40 einfach H * F ist. Aber man darf da jetzt nicht vergessen, dass ja Energie benötigt wird, um dieses Elektron aus dem Atomkern, aus diesem
6:49 Atom rauszureißen. Und diese Energie, die müssen wir hier noch abziehen. Die bezeichnen wir meistens mit WA, das ist die sogenannte
6:58 Austrittsarbeit. Und was übrig bleibt, ist dann die kinetische Energie. Das heißt, hier kommt ein Photon daher
7:05 mit der Energie H * F. Zuerst wird Energie benötigt, um dieses Elektron aus dem Atom rauszureißen. Das ist diese Austrittsarbeit.
7:14 Und was dann noch übrig bleibt, das ist die kinetische Energie dieses Elektrons. Meistens sieht man diese Formel in folgendem Diagramm. Man zeichnet sich
7:25 die kinetische Energie abhängig von der Frequenz des Lichtes auf. Das heißt, hier auf der X-Achse haben wir die Frequenz F. Auf der Y-Achse die
7:33 kinetische Energie der Elektronen. Und dieser Graph ist ja ganz einfach eine lineare Funktion mit mit Steigung H und dem Y und dem Y-Schnittpunkt - WA.
7:45 Das heißt, sagen wir mal, wir haben hier unten WA. Dann könnte diese lineare Funktion von
7:52 der kinetischen Energie ungefähr so aussehen. Was können wir uns jetzt aus diesem Diagramm ablesen? Zum einen können wir
8:01 hier unten die Austrittsarbeit ablesen und zum anderen hier die Grenzfrequenz. Ab dieser Frequenz können Elektronen aus diesem Material herausgeschleudert
8:12 werden. Und wir können, wenn wir z.B. Licht mit dieser Frequenz haben, uns ganz einfach die kinetische Energie der Elektronen
8:21 berechnen. So kann man diese Grafik hier interpretieren. Falls du dir jetzt noch nicht 100%
8:28 sicher bist, dass du das Ganze hier verstanden hast, dann schau dir mal mein nächstes Video zum Photoeffekt an. Da werden wir dann ein paar ganz einfache
8:35 Beispiele rechnen. Z.B. wir berechnen diese kinetische Energie oder diese Austrittsarbeit. Die Playlist, wo du dieses Video finden
8:42 kannst, die verlinke ich dir jetzt noch unten in der Videobeschreibung.