Quantenmechanik 2: Der Photoeffekt
Apolins Physik-Universum
https://www.youtube.com/watch?v=r0sO2_Au62w

Transkript (automatisch erstellt)

0:01 Albert Einstein ist der Inbegriff eines physikalischen Genies. Er wird sofort mit der Relativitätstheorie assoziiert. Seinen Nobelpreis bekam er aber für eine
0:11 andere Sache, nämlich für die Erklärung des Fotoeffekts. warum seine Erklärung Nobelpreiswürdig, aber auch sehr irritierend war und was das alles mit
0:19 einem Sonnenbrand zu tun hat, das erkläre ich in diesem Video. [musik]
0:36 Ist Licht kontinuierlich? Hat es also Welleneigenschaften oder ist es körnig? Hat es Teilcheneigenschaften? Lange Zeit war es nicht möglich, diese Frage
0:45 experimentell zu überprüfen. 1801 konnte aber Thomas Young mit seinem Doppelspaltexperiment belegen, das Licht Welleneigenschaften hat. Darum ging es
0:56 im letzten Video. Als dann um 1860 auch James Clerk Maxwell auf theoretischen Weg zeigen konnte, dass Licht eine elektromagnetische Welle ist, schien
1:05 alles geritzt zu sein. Licht ist eine Welle. Aber dann kam das Jahr 1905 und Albert Einstein erschütterte die physikalische
1:15 Welt mit seiner Erklärung des Fotoelektrischen Effekts, auch kurz und knackig Fotoeffekt genannt. Dieser lässt nämlich nur eine einzige
1:23 Schlussfolgerung zu. Licht besteht doch aus Teilchen. Versuchen wir diese Nobelpreiswürdigen Überlegungen nachzuvollziehen.
1:31 Ich nehme im folgenden ganz einfaches Setting, damit man den Kern des Fotoeffekts unvernebelt erkennen kann. Ich nehme ein Elektroskop und stecke
1:40 eine Zinkplatte auf. Dann lade ich diese Zinkplatte negativ. Weil dadurch auch die beiden Blättchen unten negativ geladen sind, stoßen sie einander ab und
1:49 stehen etwas zur Seite. Wenn ich jetzt eine UV-Lampe vor die geladene Zinkplatte stelle, entlied sich diese ziemlich schnell. Man sieht das
1:58 daran, dass die Metallblättchen absinken. Wenn ich eine normale Glühbirne gleicher Strahlungsintensität vor die geladene Zinkplatte stelle,
2:06 passiert aber gar nichts. Offenbar gelingt es also nur dem UV-Licht, die Elektronen aus der Platte zu schlagen, nicht aber der Klühlampe gleicher
2:14 Strahlungsintensität. Warum war das damals so extrem verwirrend? Bis 1905 musste man ja davon ausgehen,
2:23 dass Licht nur Welleneigenschaften hat. Das war ja experimentell belegt. Eine Welle ist aber kontinuierlich. Die Elektronen in der Zinkplatte könnten von
2:32 der Welle kontinuierlich Energie aufnehmen, bis sie genug Energie haben, um aus der Platte rauszufliegen. Eine UV-Lampe und eine normale Glühbirne mit
2:41 gleicher Strahlungsintensität, sagen wir als Hausnummer 20 Watt, müssten daher genau zumben Entladungseffekt führen. Das Experiment zeigt aber, dass dem
2:50 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
3:00 Flutlichtscheinwerfer mit, sagen wir 100.000 Watt, würde es mir nicht gelingen, Elektronen aus der Zinkplatte herauszuschlagen. Sehr wohl aber mit
3:08 einer vergleichsweise mickrigen UV-Lampe mit nur 20 Watt Strahlungsleistung. Und dieses eigenartige Verhalten kann man mit der Wellentheorie des Lichts einfach
3:18 nicht erklären. Einsteinserklärung des Fotoeffekts war simpel, aber revolutionär. Er stellte trocken fest, Licht besteht doch aus
3:28 Teilchen. Man nannte diese Teilchen dann später Photonen. Einstein erklärte, dass die Energie eines einzelnen Photons von seiner Frequenz abhängig ist. Das wird
3:37 durch die Formel E ist H mal f verdeutlicht. Diese Gleichung, die einstell verwendete, wurde ein paar Jahre früher
3:45 von Max Plan aufgestellt, um die Hohlraumstrahlung zu erklären. In dieser Gleichung steckt schon der Teilchencharakter des Lichts drinnen,
3:52 aber niemand nahm das sonderlich ernst. alle bis auf ein Stein. Die Konstante h in dieser Gleichung ist das Planche Wirkungsquantum und es trägt
4:03 den unfassbar winzigen Wert von 6,63 x 10 hoch -34 Jouekunden. Das blanche Wirkungsquantum ist in der Quantenmechanik unglaublich wichtig und
4:13 es wird uns noch oft über den Weg laufen. [räuspern] Mit dieser Gleichung hier kann man den Fotoeffekt ganz bequem erklären. Um ein
4:21 Elektron aus dem Zink herauszulösen, braucht man ziemlich genau 7 x 10 hoch -19 Joule. Man nennt das die Ablösearbeit oder Austrittsarbeit
4:31 ein aufbrallendes Photon muss also mindestens diese Energie mit sich tragen, damit es ein Elektron aus der Zinkplatte schlagen kann.
4:40 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
4:48 Zink herauszulösen. Wenn ich also mit meinem Flutlichtscheinwerfer mit 100.000 Watt komme, dann prallen zwar Myriaden von Photonen auf die Zinkplatte auf,
4:57 aber jeder einzelne Aufbrall ist zu schwach. Ich kann das Salop damit vergleichen, dass ich versuche mit einer gekochten Erbse ein Fenster
5:05 einzuschlagen. Nur UVB Photonen haben mehr als 7 x 10 hoch -19 Joule und können daher die Elektronen aus der Zinkplatte schlagen
5:15 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
5:24 schießen. Es gibt eine perfekte Analogie zum Fotoeffekt, nämlich den Sonnenbrand. Dabei werden die Zellen der obersten
5:33 Hautschicht durch die Photonen geschädigt. Dazu ist aber eine Mindestenergie nötig. Und die Photonen von sichtbaren Licht haben diese
5:40 Mindestenergie Gott sei Dank nicht. Sonst würde ich von diesem Scheinwerfer hier einen Mordsonnenbrand bekommen. [schnauben] Nur UV Photonen haben die
5:48 nötige Energie. um die Hautzellen zu schädigen. Die perfekte Analogie zum Fotoeffekt. Das Ablösen eines Elektrons aus der
5:57 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
6:07 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
6:16 entspricht das dem Aufprallenes sichtbaren Photons. Wenn die übertragene Energie gleich groß oder größer als W ist, dann fliegt der
6:25 Ball aus der Grube. In unserer Analogie entspricht das dem Aufprall eines UVB Photons. Beim Austreten verringert sich die Energie aber um die Ablösearbeit.
6:37 Die kinetische Energie im freien ist dann also E - W. Je größer die übertragene Energie ist, desto mehr kinetische Energie hat der Ball im
6:46 Freien und desto schneller bewegt er sich. Wenn wir unsere Überlegungen jetzt auf Photonen umlegen, dann erhalten wir die
6:54 Gleichung ekin ist hf - W. Je größer also die Frequenz des aufbrallenden Photons, je mehr Energie es besitzt, desto schneller fliegt das
7:04 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,
7:14 entspricht übrigens exakt dem blankischen Wirkungsquantum. Pointi und Salop kann man also sagen, dass Einständ seinen Nobelpreis nicht
7:24 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
7:35 damit aber ein neues riesiges Problem aus. Nun gab es nämlich sowohl für die Teilchen als auch für die
7:42 Welleneigenschaften von Licht experimentelle Belege. Nun war Licht ganz offiziell Teilchen und Wellle zugleich. Dass das überhaupt möglich
7:51 war, kam völlig überraschend. Diese Doppelnatur führt uns ganz tief in den Kaninchenbau der Quantenmechanik hinein. Warum? Das erkläre ich in den nächsten
8:03 Videos.