Fotoeffekt: Intensität und Experiment
Lektion auswählen
Licht und Schall
Mechanik
Bewegungen
Bewegungsgleichungen lösen
1D Bewegungen: Zeitmessung, Ortsangabe & Geschwindigkeit
Positive und negative Beschleunigung
Bewegungsdiagramme: Definition und Gleichungen
Freier Fall und Senkrechter Wurf
Dynamik
Schwere und träge Masse
Kraft
Kräftegleichgewicht und Trägheitssatz
Gewichtskraft, Gravitationskraft & Anziehungskraft
Kraft und Verformung
Newtons Gesetze: Definition und Formel
Zusammenwirken von mehreren Kräften
Reibung: Energieübertragung, Haftreibungs- & Gleitreibungskraft
Bewegungen in der Ebene
Waagrechter Wurf und Schiefer Wurf
Kreisbewegung: Winkelgeschwindikeit & -beschleunigung
Zentralkraft und Zentrifugalkraft
Wärmelehre
Flüssigkeiten und Gase
Thermisches Verhalten von Materie
Temperaturerhöhung und Wärmeausdehnung
Temperatur und Temperaturmessung: Celsius, Fahrenheit & Kelvin
Aggregatszustände und das Teilchenmodell
Anomalie des Wassers: Erklärung und Auswirkungen
Teilchenbewegung und kinetische Energie
Elektrizität und Magnetismus
Elektrischer Strom
Elektrische Ladung, Strom, Influenz & Polarisation
Elektrische Stromkreise und Schaltpläne
Leerlauf- und Klemmenspannung und elektrische Quellen
Elektrische Leiter und Isolatoren
Wirkung des elektrischen Stroms
Elektrische Spannung und Spannungsquellen
Elektrische Energie und Leistung: Formeln und Zusammenhang
Elektrischer und Ohmscher Widerstand
Effektivwerte und Definition von Gleich- und Wechselstrom
Stromstärke und Spannung in Parallel- und Reihenschaltung
Elektrisches Feld
Elektrisches Feld, Potenzial und Spannung
Coulomb'sches Gesetz und Radialfeld
Kondensator: Formeln, Auf- und Entladung
Speicherung von elektrischer Energie mit einem Kondensator
Freie Ladungsträger im elektrischen Feld
Atom und Kernphysik
Wellen und Quanten
Schwingungen
Harmonische Schwingungen: Beschreibung und Formeln
Eigenfrequenzen von Feder- und Fadenpendel
Gedämpfte und konstante Schwingung
Energie schwingender Körper berechnen
Wellen
Wellenphänomene: fortschreitend, transversal & longitudinal
Mathematische Beschreibung einer harmonischen Welle
Überlagerung von Wellen: konstruktive & destruktive Interferenz
Reflexion von Wellen und Reflexionsgesetz
Stehende Welle: Entstehung und Wellenlänge
Dopplereffekt: bewegte Quelle und Beobachter
Elektromagnetische Wellen und Spektrum
Gravitation und Astrophysik
Erklärvideo
Zusammenfassung
Fotoeffekt: Intensität und Experiment
Der Fotoeffekt beschreibt das Phänomen, dass Licht Elektronen aus Metallen lösen kann. Licht besteht nämlich aus winzigen Päckchen, den sogenannten Photonen. Diese Photonen tragen eine Energie , die nur von der Frequenz des Lichts abhängt:
Die Konstante heisst Planck'sches Wirkungsquant und hat einen Wert von .
Beispiel
Im Supermarkt kannst Du nur ganze Äpfel kaufen. Würdest Du versuchen nur einen halben Apfel zu kaufen, wäre das nicht möglich. Genau so ist auch Licht. Es kommt in Lichtquanten (Photonen) vor, nicht aber in beliebigen Werten.
Experiment
Bestrahlt Du ein Metall mit Licht und misst, ob ein Strom fliesst, stellst Du fest, dass ab einer gewissen Frequenz des Lichtes ein Strom zu messen ist. Das Ganze solltest Du aber im Vakuum machen, denn die fliessenden Ströme sind sehr klein und sonst nicht messbar.
Grund dafür ist, dass die Photonen Elektronen aus dem Metall lösen. Stell Dir vor, dass ein Photon mit einem Elektron zusammen stösst, wie zwei Kugeln. Deshalb spricht man auch vom Teilchenmodell des Lichts.
Wieso erst ab einer gewissen Frequenz?
Wenn ein Photon auf ein Elektron im Metall trifft, kann dieses die Energie auf das Elektron übertragen. Das Elektron wird aber im Metall gehalten, denn es muss zuerst die sogenannte Austrittsarbeit überwinden.
Das heisst, nur wenn die Photonenenergie grösser als die Austrittsarbeit ist, tritt das Elektron aus dem Metall aus und kann zum Strom beitragen.
Mathematisch ist die kinetische Energie eines Elektrons dann die Energie des Photons, die nach Abzug der Austrittsarbeit übrig bleibt:
Die Steigung dieser Geraden ist also gleich und die Energie-Achse wird bei geschnitten.
Da die Energie der Photonen NUR von ihrer Frequenz abhängt (also der Farbe des Lichts), entscheidet die Frequenz der Photonen und die Austrittsarbeit des jeweiligen Materials alleine darüber, ob der Fotoeffekt beobachtbar ist oder nicht.
Beispiel
Grünes Licht mit einer Frequenz von fällt auf ein Metall mit einer Austrittsarbeit von . Was ist die maximal messbare Energie der austretenden Elektronen?
Gegeben: ,
Gesucht:
Lösung:
Du setzt einfach in die Gleichung ein:
Was ist mit der Intensität?
In der klassischen Physik, würdest Du erwarten, dass Du durch Erhöhen der Intensität auch irgendwann einen Strom messen könntest, denn in der klassischen Physik wäre die Energie des Lichtes nämlich von Amplitude bzw. Intensität des Lichtes bestimmt.
Wenn Du die Intensität erhöhst, erhöhst Du damit nur die Anzahl an Photonen, nicht aber deren Energie. Wenn die Photonen also nicht genügend Energie haben, um die Austrittsarbeit zu überwinden, können keine Elektronen vom Metall gelöst werden und es fliest kein Strom, egal wie hoch die Intensität (sprich die Anzahl an Photonen) ist.
In der Physik sind sehr viele Grössen in Quanten aufgeteilt. Der Fotoeffekt war einer der ersten Effekte, die sich nur mit diesen Quanten erklären liessen.
Häufig gestellte Fragen (FAQ)
Was ist der Fotoeffekt?
Beim Fotoeffekt lösen Photonen (Lichtquanten) Elektronen aus einem Körper heraus.
Was ist die Formel zum Fotoeffekt?
E = h * f. Die Energie des Lichtes hängt nur von der Frequenz ab. h ist das Planck'sche Wirkungsquant
Welche Energie haben die heraus gelösten Elektronen beim Fotoeffekt?
E = h * f - E_A. Die Photonenenergie muss grösser sein als die Austrittsarbeit E_A eines Körpers.