Warum löst helles rotes Licht keine Elektronen aus Zink?

Jedes Elektron nimmt nur ein Photon auf. Ein rotes Photon hat etwa 1,9 eV, weniger als die Austrittsarbeit von Zink mit 4,33 eV, also kann kein einzelnes Photon ein Elektron befreien. Ein hellerer Strahl schickt nur mehr dieser zu schwachen Photonen, und ein Elektron kann die Energie mehrerer nicht sammeln.

Was ist die Gegenspannung?

Die kleinste Spannung an der Auffangelektrode, die auch die schnellsten Fotoelektronen abbremst, sodass der Strom null wird. Dann ist die Arbeit gegen das Feld gleich der maximalen Bewegungsenergie: eU₀ = E_kin,max = hf − W_A.

Wie bestimmt man mit dem Fotoeffekt die Planck-Konstante?

Man misst die Gegenspannung bei mehreren Frequenzen und trägt eU₀ (oder E_kin,max) über f auf. Die Punkte liegen auf einer Geraden mit der Steigung h, ihr Achsenabschnitt auf der Energieachse ist −W_A.

Ändert die Intensität die Bewegungsenergie der Elektronen?

Nein. Die Intensität legt fest, wie viele Photonen pro Sekunde ankommen, also die Stromstärke. Die Energie jedes Photons und damit E_kin,max und die Gegenspannung hängen nur von der Frequenz ab.

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Fotoeffekt

Licht schlägt Elektronen Photon für Photon aus einem Metall. Die Energie eines Photons hängt nur von seiner Frequenz ab, also kommt unter einer Grenze nichts heraus, egal wie hell das Licht ist.

Maximale kinetische Energie über der Frequenz

Messwerte

Was passiert hier

Licht kommt in Paketen, den Photonen, mit der Energie E = hf = hc/λ. Ein Elektron im Metall nimmt genau ein Photon auf und muss mindestens die Austrittsarbeit W_A aufwenden, um die Oberfläche zu verlassen. Der Rest wird zu Bewegungsenergie, die schnellsten Elektronen haben also E_kin,max = hf − W_A (andere verlieren beim Austritt etwas mehr). Ist hf kleiner als W_A, kommt kein Elektron heraus: Es gibt eine Grenzfrequenz f_G = W_A/h und eine passende Grenzwellenlänge. Mehr Intensität bedeutet mehr Photonen pro Sekunde, also mehr Elektronen und mehr Strom, aber kein einzelnes Elektron wird schneller. Ist die Auffangelektrode negativ, bremst sie die Elektronen: Der Strom sinkt und wird null, wenn eU gleich E_kin,max ist, die Gegenspannung. Trägt man E_kin,max über f auf, liefert jedes Metall eine Gerade mit der Steigung h, die die f-Achse bei f_G und die Energieachse bei −W_A schneidet. Mit diesem Diagramm hat Millikan Einsteins Gleichung bestätigt und h genau bestimmt.

E = hf = hc / λhf = W_A + E_kin,maxeU₀ = E_kin,maxf_G = W_A / h

Oberstufe Physik (Quantenobjekte): Fotoeffekt, Photonenenergie E = hf, Austrittsarbeit, Grenzfrequenz, Gegenfeldmethode und Bestimmung von h.

Rechne die Zahlen mit Physikformeln und Wissenschaftlicher Rechner nach.

Challenge

Erst schätzen: Natrium (W_A = 2,28 eV) wird mit violettem Licht der Wellenlänge 400 nm beleuchtet. Welche Gegenspannung bringt den Strom gerade auf null? Rechne zuerst hf in Elektronvolt aus, trag deine Schätzung ein und stell dann die Spannung zum Prüfen ein.

Häufige Fragen

Warum löst helles rotes Licht keine Elektronen aus Zink?: Jedes Elektron nimmt nur ein Photon auf. Ein rotes Photon hat etwa 1,9 eV, weniger als die Austrittsarbeit von Zink mit 4,33 eV, also kann kein einzelnes Photon ein Elektron befreien. Ein hellerer Strahl schickt nur mehr dieser zu schwachen Photonen, und ein Elektron kann die Energie mehrerer nicht sammeln.
Was ist die Gegenspannung?: Die kleinste Spannung an der Auffangelektrode, die auch die schnellsten Fotoelektronen abbremst, sodass der Strom null wird. Dann ist die Arbeit gegen das Feld gleich der maximalen Bewegungsenergie: eU₀ = E_kin,max = hf − W_A.
Wie bestimmt man mit dem Fotoeffekt die Planck-Konstante?: Man misst die Gegenspannung bei mehreren Frequenzen und trägt eU₀ (oder E_kin,max) über f auf. Die Punkte liegen auf einer Geraden mit der Steigung h, ihr Achsenabschnitt auf der Energieachse ist −W_A.
Ändert die Intensität die Bewegungsenergie der Elektronen?: Nein. Die Intensität legt fest, wie viele Photonen pro Sekunde ankommen, also die Stromstärke. Die Energie jedes Photons und damit E_kin,max und die Gegenspannung hängen nur von der Frequenz ab.