Mein Blögchen für alles!

Wir bauen folgenden Versuch auf:

Dabei lässt sich beobachten, dass trotz eines offensichtlich nicht geschlossenen Stromkreises ein Strom fließt. Hält man allerdings eine Pappe vor die Hg-Dampflampe, so hört der Stromfluss auf. Selbiges ist auch zu beobachten, wenn man die Sichtlinie zwischen der Zinkplatte und der Lampe mit einer Glasplatte ‘blockiert’. Die Schlussfolgerung ist also, dass es Elektronen aus der Zinkplatte irgendwie schaffen sich rauszulösen, den Zug richtung Spirale nehmen, dort in das Metall umsteigen und durch das Amperemeter zur Spannungsquelle düsen.

Überdenken wir den Versuchsaufbau klassisch, so können wir als Energie, die auf ein Atom in der Zinnplatte trifft folgende Berchnung durchführen:

Die Hg-Dampflampe hat einen Abstand von 40cm von der Zinkplatte und eine Leistung von 100W; für die Größe eines Zinkatoms nehmen wir 10^-10 m an. Damit hätten wir beim Atom eine relevante Oberfläche von:

mit

Die Gesamtoberfläche einer imaginären Kugel, die das von der Hg-Lampe ausgestrahlte Licht darstellt, hat bei einem Radius von 40cm (= Abstand zur Zinkplatte) eine Gesamtoberfläche von

mit

Damit ist die anteilige Oberfläche des Atoms an der Gesamtkugel

,

was bei einer Leistung von 100 Watt bedeutet, dass auf ein Atom die Energie von 3,906 * 10^-19 Watt fällt.
Da als Auslösearbeit eines Elektrons aus einem Atom eine Energie von ≈ 1,6 * 10^-16 J nötig ist, können wir rechnen:

Dies würde wiederrum bedeuten, dass es ungefähr sieben Minuten dauert, bis sich das erste Elektron aus der Zinkplatte löst. Bei der Beobachtung des Versuchs haben wir aber festgestellt, dass sofort ein Stromfluss aufgetreten ist. Folglich müssen wir eine andere Erklärung für dieses Phänomen suchen.

Die Lichtquantentheorie

Also Lösung des Problems bietet sich die Lichtquantentheorie an, nach der das das Licht aus Teilchen, so genannten Quanten besteht, die verschiedene Energien haben. Für unser Experiment ist dabei anscheinend nur die Energie von UV-Quanten ausreichend, um aus der Zinkplatte Elektronen zu lösen. Elektronen, die aus der Zinkplatte, der sogenannten Photozelle, gelöst werden, nennen wir im Folgenden Photoelektronen, der Effekt, durch den die Elektronen gelöst werden ist der Photoeffekt.

Der interessierte Physiker will nun natürlich wissen, welche Energie die Photonen haben. Dazu ersinnt er sich die Gegenspannungsmethode, mit Hilfe derer er die maximale Energie der Photonen erhalten kann. Diese basiert darauf, dass man zwischen der Photozelle (wir nehmen zu diesem Versuch Caesium, da es wesentlich weniger Energie benötigt um Elektronen abzugeben) und der Spirale eine Spannung anlegt, so dass die Spirale, die eigentlich die Elektronen aufnehmen soll, negativ geladen ist. Das dadurch erzeugte Gegenfeld bremst die aus der Photozelle gelösten Elektronen aus. Haben diese nun mehr Energie, als ihnen das Feld entgegenzusetzen mag, so kommen sie (jedenfalls die, die in Richtung der Spiralelektrode fliegen) trotzdem an, und ein Stromfluss ist messbar. Erst wenn kein Stromfluss mehr messbar ist, setzt das erzeugte Feld den Elektronen die Energie entgegen, die die energiereichsten Elektronen haben. Dadurch kann man dann über die Gleichung

die kinetische Energie der Elektronen ermitteln.

(Fortsetzung dieses Beitrags in Beitrag ‘Das Planck`sche Wirkumsquantum‘)