milq

Lektion 1: Photonen

1.1 Photoeffekt - 1.2 Erklärung - 1.3 Experimentelle Überprüfung - 1.4 Impuls - 1.5 Selbstkontrolle - 1.6 Zusammenfassung
 

Im milq-Lehrgang sollen Sie mit den Inhalten des Internetportals zur Quantenphysik vertraut gemacht werden. Sie werden dabei sicherlich auf neue Ideen stoßen, aber auch aus dem Unterricht Bekanntes finden.

Der Lehrgang beginnt mit dem Photoeffekt. Falls er Ihnen gut bekannt ist, lesen Sie zur Sicherheit die Zusammenfassung (Abschnitt 1.6) der ersten Lektion auf dieser Website durch und gehen dann zu "Lektion 2: Präparation" weiter.

Möchten Sie die "Lektion 1: Photonen" noch etwas ausführlicher bearbeiten,
können Sie sich das Kapitel 1 des Lehrtextes als pdf-Datei herunterladen.

1.1. Der Photoeffekt: Licht löst Elektronen aus Metalloberflächen

Experiment 1.1 (Hallwachs-Versuch):

photoeffekt1
Hallwachs-Versuch; Photoeffekt

Die Auslösung von Elektronen aus einer Metalloberfläche durch Licht wird als äußerer Photoeffekt bezeichnet. Ein Beispiel dafür ist der Hallwachsversuch (siehe Abbildung). Dabei wird eine geladene Zinkplatte dadurch entladen, dass Licht aus der Platte Elektronen herausschlägt.

Eine Erklärung des Effekts mit der Wellentheorie des Lichts stößt auf Schwierigkeiten. Er wird daher als ein Beleg für die Photonenhypothese angesehen.

Was spricht gegen die Erklärung des Photoeffekts mit der Wellentheorie des Lichts?
 

 

1.2 Erklärung des Photoeffekts mit Photonen

Nach der Photonenvorstellung strömt Licht nicht als räumlich kontinuierlich verteilte elektromagnetische Energie von der Lichtquelle weg, sondern als eine Vielzahl von Energieportionen. Man kann also in diesem Sinne von einem "Strom von Teilchen" sprechen.

Die Energiebilanz beim Photoeffekt lautet:

h·f  Ekin WA + WS
Energie des Photons = kinetische Energie
des Elektrons
+ Austrittsarbeit durch Stöße
abgegebene Energie

Die Maximalenergie der ausgelösten Elektronen beträgt also: Ekin, max = h · f - WA (Einstein-Gleichung).

Beim Photoeffekt treffen Photonen auf eine Metalloberfläche und werden absorbiert.
Die Energie h · f eines Photons wird auf ein Elektron übertragen; mit der gewonnenen Energie kann das Elektron das Metall verlassen.

Hier können Sie sich zwei Arbeitsblätter herunterladen.

 

1.3 Experimentelle Überprüfung der Energiebilanz und Bestimmung der Planck´schen Konstanten

Die Energiebilanz kann experimentell mit der Gegenfeldmethode überprüft werden. Um das folgende Experiment mit Hilfe eines Interaktiven Bildschirmexperimentes (IBE) durchzuführen, laden Sie sich das "IBE zum Photoeffekt-deutsch.exe" herunter.

Experiment 1.3:

Das Planck´sche Wirkungsquantum h kann aus der Steigung der Geraden durch die Messpunkte bestimmt werden (präzise Messungen ergeben: h = 6,6262 · 10-34 Js).

Für verschiedene Materialien ergeben sich Geraden mit der gleichen Steigung, jedoch mit unterschiedlichen Achsenschnittpunkten. Diese resultieren aus den materialabhängigen unterschiedlichen Austrittsarbeiten.

Bestimmung der Austrittsarbeit aus der Metalloberfläche

Möglichkeiten zur experimentellen Bestimmung von h

 

 1.4 Impuls von Photonen

Die erfolgreiche Interpretation des Photoeffekts legt eine Teilchentheorie für das Licht nahe. Dafür spricht auch der experimentelle Befund, dass Photonen einen Impuls besitzen, den sie auf andere Teilchen übertragen können (z. B. beim Compton-Effekt auf ein Einelektron).

Ein Photon der Frequenz f besitzt

eine Energie             E = h · f

und einen Impuls    p = h · f / c.

Licht zeigt unter bestimmten Umständen Teilchenverhalten (z. B. beim Photoeffekt), unter anderen Umständen Wellenverhalten (z. B. bei Interferenzerscheinungen).


Licht - Teilchen oder Welle?

Natürlich stellt die Quantenmechanik (bzw. für Photonen die Quantenelektrodynamik) ein mathematisches Modell bereit, mit dem alle bisherigen Experimente an Quantenobjekten korrekt beschrieben werden konnten. Mit einem mathematischen Modell ist allerdings kein anschauliches Verständnis verbunden.

In den folgenden Kapiteln soll jedoch gezeigt werden, dass mit der Wahrscheinlichkeitsinterpretation von Born der sogenannte "Welle-Teilchen-Dualismus" viel von seinem geheimnisvollen Charakter verliert.

 

1.5 Selbstkontrolle

In diesem Kapitel waren die folgenden Inhalte von Bedeutung:

  • Aufbau, Durchführung, Beobachtung und Deutung der Experimente zum Photoeffekt.
  • Experimentelle Bestimmung der Planck´schen Konstante h.
  • Photonen besitzen einen Impuls.

Bevor Sie zum nächsten Kapitel weitergehen, vergewissern Sie sich, dass Sie über die Grundzüge dieser Inhalte Bescheid wissen. Anschließend können Sie dies anhand der Zusammenfassung überprüfen.

 

1.6 Zusammenfassung von Lektion 1: Photonen

In diesem Kapitel wird der Photoeffekt mit der Einstein´schen Deutung näher beschrieben: Photonen lösen Elektronen aus Metalloberflächen, wobei ein Photon die Energie E = h · f überträgt.

Experimentell kann der Photoeffekt mit einer Photozelle oder dem Versuchsaufbau zum Hallwachseffekt gezeigt werden. Die Bestimmung der Planck´schen Konstante kann z. B. mit der Gegenfeldmethode erfolgen.

Photonen besitzen einen Impuls und können diesen auf andere materielle Teilchen übertragen (wie z. B. beim Compton-Effekt). Es gilt: p = h · f/c.
 

zurück