Fotoeffekt | STARK erklärt
STARK Verlag
https://www.youtube.com/watch?v=bgfwLsxOnKU

Transkript (automatisch erstellt)

0:00 Mit Fotoeffekten kennst du dich bestens aus, dachtest du? Immerhin weißt du genau, mit welchem Filter auf Instagram man Motive am besten in Szene setzt.
0:10 Aber dann kam der Begriff plötzlich im Physikunterricht vor und jetzt bist du dir nicht mehr sicher, ob du wirklich jede Art von Fotoeffekt kennst.
0:19 Was es in der Physik damit auf sich hat und warum der Fotoeffekt ein Meilenstein für die Physik des 20. Jahrhunderts war, erfährst du in diesem Video.
0:30 [Musik] Betrachten wir den folgenden Versuch. Hier befindet sich eine Glasröhre mit
0:43 Vakuum und auf einer Seite eine Platte, die mit Natrium beschichtet ist. Diese Platte wird nun mit Licht einer bestimmten Wellenlänge bestrahlt. Wir
0:52 schalten die Lampe an und erhalten Licht im sichtbaren roten Bereich. Nun erhöhen wir die Intensität und es passiert nichts. Nun ja, wir können auch noch die
1:04 Wellenlänge variieren. Verkleinern wir die Wellenlänge und wechseln z.B. zu Licht im grünen sichtbaren Bereich, dann treten plötzlich Teilchen aus der
1:13 Natriumschicht aus. Es handelt sich dabei um Elektronen. Jetzt reduzieren wir die Intensität auf ca. 20%. Man erkennt, dass die Anzahl der
1:23 Elektronen kleiner wird. Die Intensität des eingestrahlten Lichts bestimmt also die Anzahl der Elektronen. Geht man zu noch kleineren Wellenlängen,
1:34 dann sieht man, dass die meisten Elektronen schneller werden. Eventuell waren wir zu Beginn des Versuchs also einfach nur zu ungeduldig für die
1:44 langsamen Elektronen. Wechseln wir noch mal in den deutlich langwigeren Bereich und warten ein bisschen. Dann erhöhen wir die Intensität.
1:54 Es tut sich immer noch nichts. Offensichtlich gibt es eine scharfe Grenze mit einer bestimmten Wellenlänge, unterhalb der der Effekt erst auftritt
2:03 und dann ohne Wartezeit. So, das waren die Beobachtungen und nun bleibt die Frage, wie sich diese interpretieren lassen. Die Tatsache,
2:13 dass unterhalb einer bestimmten Wellenlänge unabhängig von der Intensität nichts passiert, lässt sich nicht mit der Vorstellung von Licht als
2:20 kontinuierliche Welle erklären. Man greift auf ein Teilchenmodell zurück und stellt sich Licht als Teilchenstrom mit Lichtteilchen, sogenannten Photonen,
2:30 vor. Wo kommen jetzt überhaupt die Elektronen her, deren Geschwindigkeit wir analysiert haben? Dazu faßt man den Vorgang an der natrium
2:38 beschichteten Platte als unelastischen Stoß auf. Ein Photon trifft auf einen Elektron an der Metalloberfläche und überträgt dabei seine gesamte Energie
2:47 auf dieses Elektron. Ist die Energie so groß oder größer als die Austrittsarbeit, dann kann das Elektron das Metall verlassen. Es besitzt nach
2:56 dem Austritt eine bestimmte kinetische Energie, also auch eine bestimmte Geschwindigkeit. Da die Geschwindigkeit der Elektronen sich mit der
3:04 eingestrahlten Wellenlänge ändert, die Austrittsarbeit aber eine Materialkonstante ist, besitzen die Photonen offensichtlich Energie, die von
3:12 der Wellenlänge abhängt. Qualitativ ist der Zusammenhang damit klar: Wellenlänge führt zu einer größeren kinetischen Energie. Um einen quantitativeren
3:23 Zusammenhang zu erhalten, gehen wir noch mal zurück zur Simulation. Diesmal wird während der Versuchsdurchführung ein Diagramm
3:30 erstellt. Die kinetische Energie der Elektronen wird dabei in Abhängigkeit von der Wellenlänge bzw. Frequenz aufgetragen. Man lässt während des
3:40 Versuchs die Intensität konstant und variiert die Wellenlänge des eingestrahlten Lichts.
4:14 Im Diagramm ergibt sich eine Gerade. Die kinetische Energie der Elektronen ändert sich also linear mit der Frequenz. Man erkennt außerdem, dass es keine
4:23 Ursprungsgerade ist, denn sie schneidet die X-Achse nicht im Koordinatenursprung, sondern bei einem bestimmten
4:30 Frequenzwert rechts davon. Man bezeichnet diese Frequenz, bei der der Fotoeffekt einsetzt, als Grenzfrequenz. Der Y-Abschnitt der Geraden hat auch
4:39 eine physikalische Bedeutung. Sein Betrag gibt den Wert der Austrittsarbeit an. Um nur annähernd so etwas wie eine
4:47 allgemeine Aussage treffen zu können, muss man das Experiment mit einem anderen Material wiederholen. Wir führen das Experiment nun nochmals mit Zink
4:55 durch. Es ergibt sich wieder eine Gerade. Der Nullurchgang ist aber ein anderer und
5:18 damit auch die Schnittstelle mit der y-Achse. Damit ist klar, dass die Grenzfrequenz und die Austrittsarbeit vom Material abhängen. Und was ist mit
5:26 der Steigung? Verschieben wir die untere Gerade parallel auf die obere, dann decken sich die beiden. Die Steigung ist also gleich in beiden Fällen und daher
5:35 material unabhängig. So, nun versuchen wir die Erkenntnisse in eine Gleichung zu fassen. Auf der einen Seite der Gleichung steht die
5:44 kinetische Energie der Elektronen. Wie zuvor anhand des Diagramms ermittelt, hängt diese linear von der Frequenz ab. Die jeweiligen Geraden besitzen alle
5:54 dieselbe Steigung. Die Steigung ist material unabhängig und wird mit dem Buchstaben H bezeichnet. Dabei beschreibt der Term H mal f die Energie
6:03 des Photons. Sie ist direkt proportional zur Lichtfrequenz F. Die Proportionalitätskonstante H ist das plankche Wirkungsquantum H.
6:14 Ein Teil der Photonenenergie wird als Austrittsarbeit va benötigt, nämlich um die Elektronen aus der Metalloberfläche zu lösen. Im Diagramm kann man WA als
6:24 Betrag des negativen Achsenabschnitts ablesen. Die restliche Energie, also die Differenz aus Photonenenergie und Austrittsarbeit bekommt das ausgelöste
6:33 Elektron als kinetische Energie mit. Genau das besagt die Gleichung. Sie ist nichts anderes als eine Energiebilanz des Fotoeffekts und wird auch
6:43 Einsteingleichung genannt. So, jetzt noch mal die wichtigsten Erkenntnisse der letzten Minuten zusammengefasst.
6:51 Der Fotoeffekt gilt als Meilenstein für die Physik des 20. Jahrhunderts, weil er sich nur mit Hilfe der Vorstellung von Licht als Teilchenstrom erklären lässt.
7:00 Die bis dahin übliche ausschließliche Betrachtung als kontinuierliche Welle musste entsprechend erweitert werden. Die Energie der Lichtteilchen, Photonen,
7:09 ist direkt proportional zur Frequenz des Lichts. Beim Fotoeffekt stößt jeweils ein Photon mit einem Elektron im Metallgitter zusammen und überträgt
7:18 dabei seine gesamte Energie. Der Energieübertrag bzw. Die Energiebilanz wird durch die Einsteingleichung beschrieben. Ein= H mal f- wa.