Der Photoeffekt

Ein Vortrag von Markus Kehr im Rahmen desHauptseminars „Schlüsselexperimente zur Quantenmechanik“

im WS 02/03

1. Einführende Gedanken

2. Historische Meilensteine

3. Lenards Experimente zum Photoeffekt

4. Einsteinsche Lichtquantenhypothese

5. Abschätzung der klassischen Akkumulationszeit

Der Photoeffekt 1/17Überblick

• Bedeutung des Lichts für die Menschheit

• Photosynthese

• Energievorräte = gespeicherte Sonnenenergie

• Eigenschaften des Lichts

Der Photoeffekt 2/17Einführende Gedanken

• Konkurrierende Vorstellungen über das Licht: Newton (1643-1727) vs. Huygen (1629-1695)

• Newtons Lichtteilchen, dualistische Auffassung vom Licht

• Huygens Wellentheorie

Der Photoeffekt 3/17Historische Meilensteine

• Interferenzversuch von Young (1773-1829)

• Doppelspaltexperiment

• Erklärungsproblem: Licht + Licht = Dunkel (?) Erklärung nur mit Wellenbild möglich

• Maxwell (1831-1879): Elektromagnetischer Charakter des Lichts

Der Photoeffekt 4/17Historische Meilensteine (2)

Der Photoeffekt 5/17Lenards Experimente

Qualitative Demonstration des Photoeffekts:

Der Photoeffekt 6/17Lenards Experimente (2)

Quantitative Demonstration des Photoeffekts:

Der Photoeffekt 7/17Lenards Experimente (3)

Beobachtungen:

Unterhalb einer gewissen Grenzfrequenz gibtes keinen Photostrom.

Der Photoeffekt 8/17Lenards Experimente (4)

Beobachtungen:

Die Geschwindigkeitsverteilung der Elektronenhängt nicht von der Intensität des Lichts ab.

Der Photoeffekt 9/17Lenards Experimente (5)

Beobachtungen:

Die Zahl der pro Zeiteinheit emittierten Elek-tronen ist proportional zur Intensität des Lichts.

Der Photoeffekt 10/17Lichtquantenhypothese (1905)

• Einstein geht - ähnlich wie Planck - von thermodynamischen Betrachtungen aus

• Man darf dem Licht, jedenfalls was die darin steckende Energie angeht, keine kontinuier- liche Erfüllung des Raumes zuordnen

• Vielmehr liege eine „körnige“ Struktur vor

Amvh 2

21

Der Photoeffekt 11/17Lichtquantenhypothese (2)

Erklärung des Photoeffekts:

eUeUh A max

AUeh

U max

Der Photoeffekt 12/17Lichtquantenhypothese (3)

• Fraunhofer, Bohr, Franck und Hertz: Atome sind schwingungsfähige Gebilde mit charakteristischen Eigenfrequenzen

• Energie des abgelösten Elektrons:

2

21

mvEE G

Der Photoeffekt 13/17Lichtquantenhypothese (4)

Die dem Ionisierungsvorgang entsprechende Resonanzfrequenz des Atoms ergibt sich zu:

)21

(1 2

0 mvEEh G

Setzt man , so gelangt man zur Einstein-Gleichung

AEEG 0

Der Photoeffekt 14/17Akkumulationszeit

Mindestwert der klassischen Akkumulationszeit:

jFT

1min

j = PhotonenstromdichteF = Atomarer Querschnitt

Beispiel: Sonnenlicht,/10 219 smj 21810 mF sT 1,0min

Der Photoeffekt 15/17Akkumulationszeit (2)

Photoeffekt im menschlichen Auge:

Reizschwelle menschliches Auge

Dies entspricht

Rechnet man mit

so würde es über drei Jahre dauern, bis

Photoelektronen nachweisbar wären. Daraus

folgt, dass die klassische Vorstellung vom Licht

hier versagt.

W17105

smj 2/120

smj 210 /10

Der Photoeffekt 16/17Zusammenfassung

.

Der Photoeffekt ist also nur erklärbar, wenn

wenn man dem Licht Teilchennatur zuschreibt.

Andererseits lassen sich Erscheinungen wie

beispielsweise Interferenz nur mit einer

Wellenvorstellung vom Licht deuten.

Der Photoeffekt 17/17Literatur

1. Harry Paul : Photonen

2. Haken-Wolf : Atom und Quantenphysik

3. Paul Tipler : Physik

4. Gerthsen : Physik