Das Video kommt von YouTube: erst beim Abspielen verbindet sich die Seite mit YouTube (Google).
Quantenmechanik 2: Der Photoeffekt
Das Wichtigste aus dem Video
Tipp auf eine Zeit – das Video springt genau dorthin.
Transkriptautomatisch erstellt · 53 Zeilen
- Albert Einstein ist der Inbegriff eines physikalischen Genies. Er wird sofort mit der Relativitätstheorie assoziiert. Seinen Nobelpreis bekam er aber für eine
- andere Sache, nämlich für die Erklärung des Fotoeffekts. warum seine Erklärung Nobelpreiswürdig, aber auch sehr irritierend war und was das alles mit
- einem Sonnenbrand zu tun hat, das erkläre ich in diesem Video. [musik]
- Ist Licht kontinuierlich? Hat es also Welleneigenschaften oder ist es körnig? Hat es Teilcheneigenschaften? Lange Zeit war es nicht möglich, diese Frage
- experimentell zu überprüfen. 1801 konnte aber Thomas Young mit seinem Doppelspaltexperiment belegen, das Licht Welleneigenschaften hat. Darum ging es
- im letzten Video. Als dann um 1860 auch James Clerk Maxwell auf theoretischen Weg zeigen konnte, dass Licht eine elektromagnetische Welle ist, schien
- alles geritzt zu sein. Licht ist eine Welle. Aber dann kam das Jahr 1905 und Albert Einstein erschütterte die physikalische
- Welt mit seiner Erklärung des Fotoelektrischen Effekts, auch kurz und knackig Fotoeffekt genannt. Dieser lässt nämlich nur eine einzige
- Schlussfolgerung zu. Licht besteht doch aus Teilchen. Versuchen wir diese Nobelpreiswürdigen Überlegungen nachzuvollziehen.
- Ich nehme im folgenden ganz einfaches Setting, damit man den Kern des Fotoeffekts unvernebelt erkennen kann. Ich nehme ein Elektroskop und stecke
- eine Zinkplatte auf. Dann lade ich diese Zinkplatte negativ. Weil dadurch auch die beiden Blättchen unten negativ geladen sind, stoßen sie einander ab und
- stehen etwas zur Seite. Wenn ich jetzt eine UV-Lampe vor die geladene Zinkplatte stelle, entlied sich diese ziemlich schnell. Man sieht das
- daran, dass die Metallblättchen absinken. Wenn ich eine normale Glühbirne gleicher Strahlungsintensität vor die geladene Zinkplatte stelle,
- passiert aber gar nichts. Offenbar gelingt es also nur dem UV-Licht, die Elektronen aus der Platte zu schlagen, nicht aber der Klühlampe gleicher
- Strahlungsintensität. Warum war das damals so extrem verwirrend? Bis 1905 musste man ja davon ausgehen,
- dass Licht nur Welleneigenschaften hat. Das war ja experimentell belegt. Eine Welle ist aber kontinuierlich. Die Elektronen in der Zinkplatte könnten von
- der Welle kontinuierlich Energie aufnehmen, bis sie genug Energie haben, um aus der Platte rauszufliegen. Eine UV-Lampe und eine normale Glühbirne mit
- gleicher Strahlungsintensität, sagen wir als Hausnummer 20 Watt, müssten daher genau zumben Entladungseffekt führen. Das Experiment zeigt aber, dass dem
- nicht so ist. Es kommt sehr wohl auf die Art der Strahlung an. Ich kann das Ganze jetzt noch auf die Spitze treiben und sagen, selbst mit einem mega fetten
- Flutlichtscheinwerfer mit, sagen wir 100.000 Watt, würde es mir nicht gelingen, Elektronen aus der Zinkplatte herauszuschlagen. Sehr wohl aber mit
- einer vergleichsweise mickrigen UV-Lampe mit nur 20 Watt Strahlungsleistung. Und dieses eigenartige Verhalten kann man mit der Wellentheorie des Lichts einfach
- nicht erklären. Einsteinserklärung des Fotoeffekts war simpel, aber revolutionär. Er stellte trocken fest, Licht besteht doch aus
- Teilchen. Man nannte diese Teilchen dann später Photonen. Einstein erklärte, dass die Energie eines einzelnen Photons von seiner Frequenz abhängig ist. Das wird
- durch die Formel E ist H mal f verdeutlicht. Diese Gleichung, die einstell verwendete, wurde ein paar Jahre früher
- von Max Plan aufgestellt, um die Hohlraumstrahlung zu erklären. In dieser Gleichung steckt schon der Teilchencharakter des Lichts drinnen,
- aber niemand nahm das sonderlich ernst. alle bis auf ein Stein. Die Konstante h in dieser Gleichung ist das Planche Wirkungsquantum und es trägt
- den unfassbar winzigen Wert von 6,63 x 10 hoch -34 Jouekunden. Das blanche Wirkungsquantum ist in der Quantenmechanik unglaublich wichtig und
- es wird uns noch oft über den Weg laufen. [räuspern] Mit dieser Gleichung hier kann man den Fotoeffekt ganz bequem erklären. Um ein
- Elektron aus dem Zink herauszulösen, braucht man ziemlich genau 7 x 10 hoch -19 Joule. Man nennt das die Ablösearbeit oder Austrittsarbeit
- ein aufbrallendes Photon muss also mindestens diese Energie mit sich tragen, damit es ein Elektron aus der Zinkplatte schlagen kann.
- Wie man an den exemplarischen Werten in dieser Tabelle sehen kann, haben die Photonen von sichtbaren Licht einfach zu wenig Energie, um die Elektronen aus dem
- Zink herauszulösen. Wenn ich also mit meinem Flutlichtscheinwerfer mit 100.000 Watt komme, dann prallen zwar Myriaden von Photonen auf die Zinkplatte auf,
- aber jeder einzelne Aufbrall ist zu schwach. Ich kann das Salop damit vergleichen, dass ich versuche mit einer gekochten Erbse ein Fenster
- einzuschlagen. Nur UVB Photonen haben mehr als 7 x 10 hoch -19 Joule und können daher die Elektronen aus der Zinkplatte schlagen
- und deshalb lösen nur diese Photonen den Fotoeffekt aus. In unserem Saloppenbild wäre das dann so, als würde ich mit einem Stein auf eine Fensterscheibe
- schießen. Es gibt eine perfekte Analogie zum Fotoeffekt, nämlich den Sonnenbrand. Dabei werden die Zellen der obersten
- Hautschicht durch die Photonen geschädigt. Dazu ist aber eine Mindestenergie nötig. Und die Photonen von sichtbaren Licht haben diese
- Mindestenergie Gott sei Dank nicht. Sonst würde ich von diesem Scheinwerfer hier einen Mordsonnenbrand bekommen. [schnauben] Nur UV Photonen haben die
- nötige Energie. um die Hautzellen zu schädigen. Die perfekte Analogie zum Fotoeffekt. Das Ablösen eines Elektrons aus der
- Zinkplatte kann man sehr gut mit einem Fußballschuss aus einer Grube vergleichen. Dabei steht der Fuß für das aufprallende Photon und der Ball für das
- Elektron. Wenn die von Fuß auf dem Ball übertragene Energie E kleiner ist als die Ablösearbeit w, dann bleibt der Ball in der Grube. In unserer Analogie
- entspricht das dem Aufprallenes sichtbaren Photons. Wenn die übertragene Energie gleich groß oder größer als W ist, dann fliegt der
- Ball aus der Grube. In unserer Analogie entspricht das dem Aufprall eines UVB Photons. Beim Austreten verringert sich die Energie aber um die Ablösearbeit.
- Die kinetische Energie im freien ist dann also E - W. Je größer die übertragene Energie ist, desto mehr kinetische Energie hat der Ball im
- Freien und desto schneller bewegt er sich. Wenn wir unsere Überlegungen jetzt auf Photonen umlegen, dann erhalten wir die
- Gleichung ekin ist hf - W. Je größer also die Frequenz des aufbrallenden Photons, je mehr Energie es besitzt, desto schneller fliegt das
- abgelöste Elektron aus dem Zink heraus. Und genau das kann man im Experiment bestens belegen. Der Anstieg der Geraden, also das Delta E durch Delta F,
- entspricht übrigens exakt dem blankischen Wirkungsquantum. Pointi und Salop kann man also sagen, dass Einständ seinen Nobelpreis nicht
- für E ist dem C quadrat bekommen hat, sondern für E ist H mal F. Er konnte mit dieser Gleichung das jahrzehnte alte Rätsel des Fotoeffekts lösen. Er löste
- damit aber ein neues riesiges Problem aus. Nun gab es nämlich sowohl für die Teilchen als auch für die
- Welleneigenschaften von Licht experimentelle Belege. Nun war Licht ganz offiziell Teilchen und Wellle zugleich. Dass das überhaupt möglich
- war, kam völlig überraschend. Diese Doppelnatur führt uns ganz tief in den Kaninchenbau der Quantenmechanik hinein. Warum? Das erkläre ich in den nächsten
- Videos.
Zum Nachlesen
Photoelektrischer EffektUnter Photoionisation (auch atomarer Photoeffekt) versteht man die Ionisation einzelner Atome oder Moleküle durch Bestrahlung mit Licht genügend hoher Frequenz.
Welle-Teilchen-DualismusDie Strahlen, die durch den Doppelspalt gelangen, treffen auf den Schirm und werden dort in geeigneter Weise registriert. Klassische Wellen. Bearbeiten.
MateriewelleDer Begriff Materiewelle beschreibt das zum Teil wellenartige Verhalten der einzelnen Teilchen, welche die Materie bilden. Der Begriff wird üblicherweise …
PhotonPhysikalisch wird das Photon als Austauschteilchen betrachtet. Nach der Quantenelektrodynamik (QED) gehört es als Vermittler der elektromagnetischen …