Photoeffekt (Video)

Tauche ein in die Welt des Photoeffekts! In diesem Video erfährst du, wie Licht in Form von Photonen Elektronen aus Metallen herausschlagen kann. Versteh einfach, was hinter diesem spannenden Phänomen steckt, das unsere moderne Technologie erst möglich macht.

VIDEOSKRIPT

Was der Photoeffekt ist und wie du ihn experimentell nachweist, erfährst du in diesem Video. Bleib dran!

H2 Photoeffekt einfach erklärt

Wenn Licht auf Atome trifft, können die Elektronen in den Atomen mit dem Licht wechselwirken. Stell dir vor, das Licht besteht aus vielen Teilchen. Diese Teilchen heißen Photonen und tragen die Energie

𝐸 = ℎ ⋅𝑓
�

=

ℎ

⋅
�

( E ist gleich h mal f).

f ist dabei die Frequenz des Lichts und bestimmt die Energie und h ist das Planck’sche Wirkungsquantum. Wenn ein Photon nun auf ein Elektron trifft gibt es seine Energie ab. Du kannst dir vorstellen, dass das Photon vom Elektron aufgesaugt wird. Das Elektron ist im Atom gebunden. Ist die abgegebene Energie der Photonen also größer als die Bindungsenergie der Elektronen, wird das Elektron herausgelöst. Diesen sogenannten äußeren Photoeffekt kannst du zum Beispiel bei Metallen beobachten, die mit Licht einer bestimmten Frequenz bestrahlt werden. Es gibt auch einen inneren Photoeffekt, aber schauen wir uns jedoch zuerst den äußeren Photoeffekt an.

H2 Äußerer Photoeffekt

Dieser sogenannte äußere Photoeffekt tritt dann auf, wenn die Energie des Lichts größer als die Austrittsarbeit des Metalls ist. Es werden keine Elektronen herausgelöst, wenn das Licht eine zu geringe Frequenz hat. Du kannst schlussfolgern, dass das Licht eine sogenannte Grenzfrequenz
fGrenz
f
Grenz

(f grenz) besitzt, ab welcher Elektronen herausgelöst werden. Sie wird durch die materialabhängige Austrittsarbeit
𝑊𝐴
�
�

(W a) bestimmt:

ℎ⋅𝑓𝐺𝑟𝑒𝑛𝑧=𝑊𝐴
ℎ
⋅
�
�
�
�
�
�
=
�
�

(Formel nicht vorlesen, aber anzeigen)

Ist die Frequenz f des eingestrahlten Lichts größer als die Grenzfrequenz gibt es überschüssige Energie. Das ist die kinetische Energie
𝐸𝑘𝑖𝑛
�
�
�
�

( E kin) und dient der Beschleunigung der Elektronen.

ℎ⋅𝑓=𝑊𝐴+𝐸𝑘𝑖𝑛
ℎ
⋅
�
=
�
�
+
�
�
�
�

Möchtest du genaueres darüber erfahren, schau dir doch unser Video zur kinetischen Energie an!

H2 Innerer Photoeffekt

Beim inneren Photoeffekt hingegen werden keine Elektronen aus dem Material herausgelöst . In Halbleitern zum Beispiel, wird durch die Einstrahlung von Licht ein Elektron vom nichtleitenden Valenzband in das energetisch höher liegende Leitungsband gehoben. Diesen Effekt kannst du nur beobachten, wenn die Lichtenergie
ℎ ⋅𝑓
ℎ

⋅
�

(h mal f) größer als die Bandlücke ist.

ℎ⋅𝑓≥𝐸𝑔𝑎𝑝
ℎ
⋅
�
≥
�
�
�
�

(Formel nicht vorlesen, aber anzeigen)

E_gap (E gap) ist die Bandlücke und gibt dir die Energiedifferenz zwischen Valenz- und Leitungsband an.

H2 Photoeffekt Versuche

Soviel zur Theorie – doch wie kannst du den Photoeffekt experimentell beobachten ? Schauen wir uns nun zwei Experimente an, mit denen man den äußeren Photoeffekt nachweist.

H3 Photoeffekt Stab

Im ersten Experiment benötigst du einen PVC-Stab. Du kannst diesen Stab elektrisch aufladen, indem du ihn mit einem Tuch reibst. Dadurch entsteht ein Elektronenüberschuss im Stab.

Nun brauchst du noch eine Metallplatte, die an ein Elektrometer angeschlossen ist. Die Platte ist bislang neutral geladen, also schlägt das Elektrometer nicht aus.

Berührst du jetzt den Stab mit der Metallplatte, so wird der Ladungsüberschuss im Stab ausgeglichen. Stell dir vor, die Elektronen wandern vom Stab in die Platte. Jetzt hat die Platte einen Elektronenüberschuss und das Elektrometer schlägt negativ aus.

Bestrahlst du im Anschluss die Platte mit einer Quecksilberdampflampe, werden durch den äußeren Photoeffekt Elektronen aus der Platte gelöst. In der Metallplatte entsteht dadurch ein Elektronenmangel und das Elektrometer schlägt positiv aus. Sehr gut!

H3 Photoeffekt Gegenfeldmethode

Es gibt noch weitere Möglichkeiten den Photoeffekt nachzuweisen. Bei der Gegenfeldmethode zum Beispiel, kannst du die kinetische Energie der herausgelösten Elektronen berechnen. Betrachte dazu einen Stromkreis, der eine regelbare Spannung und eine Elektronenröhre beinhaltet. Die Elektronenröhre besteht aus einer Anode und einer metallischen Kathode . Wird die Kathode mit monochromatischem Licht bestrahlt, werden Elektronen durch den Photoeffekt herausgelöst und zur Anode beschleunigt.. Legst du eine Gegenspannung
𝑈𝐺
(U g ) an, werden die Elektronen in ihrer Bewegung abgebremst. Sie müssen die Arbeit

𝑊=𝑒⋅𝑈𝐺
( W ist gleich e mal U g )

aufbringen. e ist dabei die Ladung der Elektronen. Stellst du die Spannung so ein, dass keine Elektronen mehr die Anode erreichen, wird die kinetische Energie der Elektronen komplett durch das Gegenfeld kompensiert und du kannst die kinetische Energie berechnen mit

𝐸𝑘𝑖𝑛=𝑒⋅𝑈𝐺
(E kin ist gleich e mal U g)

Es gilt dann die Energiebeziehung

ℎ⋅𝑓=𝑊𝐴+𝑒⋅𝑈𝐺
ℎ
⋅
�
=
�
�
+
�
⋅
�
�

( h mal f ist gleich W a plus e mal U g)

Wenn die Austrittsarbeit der Kathode bekannt ist, kannst du mit der Gegenfeldmethode die Konstante h – das Planck’sche Wirkungsquantum - bestimmen.

Outro

Interessant, oder ? In diesem Video hast du gelernt, was der Photoeffekt ist. Du weißt jetzt auch wie man den Photoeffekt mit der Gegenfeldmethode oder der Stabmethode nachweist. Klasse !