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Einfluss der Lichtfrequenz und Lichtintensität

Entwicklung der Quantentheorie
Photoeffekt / Qualitative Experimente zum Photoeffekt

Wir wollen nun die Natur des gerade analysierten Phänomens genauer ergründen. Die beiden zuvor aufgeworfenen Fragen spielen dabei eine wesentliche Rolle, um sich dem Kern des Phänomens zu nähern.

Lichtfrequenz

  • Der vorige qualitative Versuch hat gezeigt, dass Tageslicht keinen Photoeffekt auslöst. Nutzt man jedoch die Quecksilberdampflampe, die nur Licht bestimmter Frequenzen emittiert (Hg besitzt ein sogenanntes Linienspektrum), so findet der Photoeffekt statt und die Zn-Platte wird entladen (der Ausschlag des Elektroskops geht zurück).

Dies ist ein deutlicher Indikator dafür, dass die Frequenz des Lichts ein entscheidender Faktor beim Photoeffekt ist.

  • Diese Hypothese wird auch vom folgenden Sachverhalt bekräftigt: Setzt man einen Filter bzw. eine Glasscheibe zwischen die negativ aufgeladene Zn-Platte und die Hg-Lampe, so findet kein Photoeffekt statt. Die Glasscheibe filtert nämlich die ultravioletten Frequenzen der Hg-Lampe aus. Das Licht, welches dann auf die Platte trifft, enthält nur Frequenzen die kleiner sind als die des UV-Lichts.

Merke

Beim Photoeffekt spielt die Frequenz des Lichts eine entscheidende Rolle. Es existiert eine charakteristische Grenzfrequenz $f_g$. Wenn nun $f$ die Frequenz des eingestrahlten Lichts ist, so kann es die beiden Fälle geben

  • $f\geq f_g$: Der Photoeffekt findet statt.
  • $f<f_g$: Der Photoeffekt findet nicht statt.

Lichtintensität

Nach der Wellentheorie des Lichts könnte man auf die Idee kommen, dass die Intensität des Lichts einen Einfluss haben könnte. Dazu definieren wir hier noch den physikalischen Begriff der Intensität

Gut zu wissen

Intensität

Die Lichtintensität $I$ beschreibt die Strahlungsenergie $W$, die senkrecht auf eine Fläche $A$ in der Zeit $t$ trifft.

$I=\frac{W}{A\cdot t}$

Die Leistung $P$ in der Physik ist $P=\frac{W}{t}$; in diesem Fall ist es die Strahlungsleistung. Damit kann man für die Lichtintensität auch

$I=\frac{P}{A}$

schreiben.

Zur Überprüfung des Einflusses der Lichtintensität könnte man folgendes machen

  • Man lässt die Glasscheibe zwischen negativ geladener Zn-Platte und Hg-Lampe stehen, um lediglich niedrige Lichtfrequenzen durchzulassen. Die Lichtintensität erhöht man entsprechend obiger Formel, indem man den Abstand zwischen Lampe und Platte verkleinert. Am fehlenden Ausschlag des Elektroskops erkennt man, dass keine Entladung der Metallplatte erfolgt. Resultat: Es findet kein Photoeffekt statt. Auch nicht dann, wenn man die Zn-Platte hinreichend lange bestrahlt.

Zusammenfassung

  • Für die Auslösung des Photoeffekts ist lediglich die Frequenz des Lichts entscheidend. Dabei muss die Frequenz ds Lichts mindestens so groß wie die Grenzfrequenz $f_g$ sein.
  • Die Lichtintensität ist für die Auslösung des Photoeffekts nicht verantwortlich!

Dies lässt sich auch mit verfeinerten experimentellen Methoden, wie der Gegenfeldmethode, nachweisen.

Der fundamentale Widerspruch zur Wellentheorie!

Das so eben beobachtete Phänomen, das wir noch genauer untersuchen werden, steht im krassen Widerspruch zur Wellentheorie des Lichts. Die Erwartung nach der Wellentheorie des Lichts wäre nämlich:

Die elektrische Feldkomponente des Lichts versetzt die Elektronen des Metalls in Schwingungen (siehe auch Modul "Elektromagnetismus"). Dadurch erhalten die Elektronen nach einer bestimmten Zeit genügend Energie und können das Metall verlassen. Das würde bedeuten, dass

  1. die Frequenz des Lichts keine Rolle spielen dürfte und
  2. die Lichtintensität $I$, die ja proportional zur Strahlungsenergie $W$ der Welle ist, einen Einfluss auf den Austritt der Elektronen und somit ihre kinetische Energie hätte.

Darüber hinaus würde die Wellentheorie implizieren:

  • Eine Reduktion der Lichtintensität, und damit der pro Zeiteinheit auf die Metallfläche $A$ treffende Strahlungsenergie $W$, würde das Einsetzen des Photoeffekts verzögern. Denn es würde ja dann eine größere Zeit benötigen, bis die Welle genügend Energie auf die Elektronen übertragen hat.

Tatsächlich setzt der Photoeffekt aber, wie man im Experiment zeigen kann, spontan ein. Eine Verzögerung findet nicht statt.

Multiple-Choice
Die Strahlungsleistung eines $CO_2$- Lasers sei $P=3 kW$.
Wie groß ist die Intensität $I$, wenn der Laserstrahlquerschnitt einen Radius von $150 \mu m$ hat?
0/0
Lösen

Hinweis:

Bitte kreuzen Sie die richtigen Aussagen an. Es können auch mehrere Aussagen richtig oder alle falsch sein. Nur wenn alle richtigen Aussagen angekreuzt und alle falschen Aussagen nicht angekreuzt wurden, ist die Aufgabe erfolgreich gelöst.

$1 \mu m=1\cdot 10^{-6} m$

Vorstellung des Online-Kurses Quanteneffekte & Struktur der MaterieQuanteneffekte & Struktur der Materie
Dieser Inhalt ist Bestandteil des Online-Kurses

Quanteneffekte & Struktur der Materie

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Diese Themen werden im Kurs behandelt:

[Bitte auf Kapitelüberschriften klicken, um Unterthemen anzuzeigen]

  • Entwicklung der Quantentheorie
    • Einleitung zu Entwicklung der Quantentheorie
    • Photoeffekt
      • Einleitung zu Photoeffekt
      • Qualitative Experimente zum Photoeffekt
        • Einleitung zu Qualitative Experimente zum Photoeffekt
        • Einfluss der Lichtfrequenz und Lichtintensität
  • Welle-Teilchen-Dualismus
    • Einleitung zu Welle-Teilchen-Dualismus
    • Photoeffekt - Die Gegenfeldmethode - quantitative Analyse
      • Einleitung zu Photoeffekt - Die Gegenfeldmethode - quantitative Analyse
      • Bestimmung des Planckschen Wirkungsquantums
      • Das Photonmodell
        • Einleitung zu Das Photonmodell
        • Photostromstärke
        • Masse, Energie und Impuls von Photonen
      • Herleitung der Compton-Formel
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