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Quantenphysik

Der Photoeffekt und die Lichtquanten

Warum helles rotes Licht keine Elektronen löst, schwaches blaues aber schon, und wieso das die Wellentheorie sprengte.

Benötigte Grundlagen

Dieses Vorwissen brauchst du für das Kapitel. Schau kurz nach, wenn dir etwas davon nicht mehr präsent ist, sonst leg direkt los.

Einführung

Nachdem der bewiesen hatte, dass Licht eine ist, schien die Sache erledigt. Maxwell hatte die Theorie geliefert, Hertz sie bestätigt.

Ausgerechnet Hertz stieß 1887 auf eine Beobachtung, die nicht dazu passte: Bestrahlt man Metall mit Licht, treten Elektronen aus, aber nur bei hoher . Rotes Licht löst keine aus, egal wie hell man es macht; schwaches blaues Licht dagegen sofort.

Nach der Wellentheorie müsste helleres Licht mehr liefern und irgendwann genügen. Es tut es nicht. Einstein erklärte das 1905 mit einer Annahme, die er selbst „revolutionär" nannte, und erhielt dafür den Nobelpreis. Nicht für die Relativitätstheorie.

Das kannst du nach diesem Kapitel

  • den äußeren lichtelektrischen Effekt beschreiben.

  • benennen, was die Wellentheorie nicht erklären kann.

  • die Lichtquantenhypothese formulieren.

  • die Einsteinsche Gleichung anwenden.

  • die Grenzfrequenz und die Austrittsarbeit bestimmen.

  • das Plancksche Wirkungsquantum aus einer Messung ermitteln.

Die Beobachtung

Bestrahlt man eine Metallplatte mit Licht, können Elektronen aus ihr austreten (äußerer lichtelektrischer Effekt). Vier Befunde sind entscheidend:

  1. Es gibt eine Grenzfrequenz fgf_g. Unterhalb davon treten keine Elektronen aus, gleich wie hell das Licht ist.
  2. Oberhalb der Grenzfrequenz treten Elektronen sofort aus, auch bei sehr schwachem Licht (Verzögerung unter 10−9 s10^{-9}\,\text{s}).
  3. Die maximale kinetische der Elektronen hängt nur von der ab, nicht von der Helligkeit.
  4. Die Anzahl der Elektronen hängt von der Helligkeit ab.
Licht schlägt Elektronen herausLichtMetallplatteElektronenAuffängerUGegenspannung bremstDie Grenzspannung misst die Energie

Der Aufbau ist einfach, die Messgröße ist der Trick: Man misst nicht die Elektronen selbst, sondern die Gegenspannung, ab der keines mehr ankommt. Aus ihr folgt die Bewegungsenergie der schnellsten Elektronen, genau die Größe, um die es gleich gehen wird.

Was die Wellentheorie vorhersagt

BefundWellentheorie sagtBeobachtung
GrenzfrequenzEs sollte keine geben; helleres Licht liefert mehr Es gibt eine
VerzögerungBei schwachem Licht müsste es dauern, bis genug Energie gesammelt istSofort
Energie der ElektronenSollte mit der Helligkeit steigenHängt nur von ff ab
AnzahlSollte von der abhängenHängt von der Helligkeit ab

🔴 In allen vier Punkten liegt die Wellentheorie falsch. Das ist keine Ungenauigkeit, sondern ein qualitativer Widerspruch: Die Wellentheorie sagt das Gegenteil dessen voraus, was man misst.

Eine Abschätzung macht das Ausmaß deutlich. Bei sehr schwachem Licht müsste ein Atom nach der Wellenvorstellung Stunden sammeln, bis genug Energie für einen Austritt zusammenkäme. Gemessen wird eine Verzögerung von unter einer Nanosekunde.

Einsteins Lichtquantenhypothese (1905)

Licht wird nicht kontinuierlich, sondern in Portionen ausgetauscht. Die einer Portion (eines Photons) ist

E=h⋅f\boxed{E = h \cdot f}

mit dem Planckschen Wirkungsquantum

h=6,626⋅10−34 Js=4,136⋅10−15 eVsh = 6{,}626 \cdot 10^{-34}\,\text{Js} = 4{,}136 \cdot 10^{-15}\,\text{eVs}

Entscheidend ist: Ein Elektron nimmt immer genau ein Photon auf, ganz oder gar nicht.

Warum das alle vier Befunde erklärt

1. Grenzfrequenz. Um ein Elektron aus dem Metall zu lösen, ist eine Mindestenergie nötig, die Austrittsarbeit WAW_A. Ein einzelnes Photon muss sie aufbringen. Reicht hf<WAhf < W_A, passiert nichts, und mehr Photonen derselben Sorte helfen nicht, weil jedes Elektron nur eines aufnimmt.

2. Kein Zeitverzug. Trifft ein Photon mit genügend ein, geschieht der Austritt sofort. Es muss nichts angesammelt werden.

3. Energie hängt von ff ab. Was von der Photonenenergie nach dem Ablösen übrig bleibt, wird zu kinetischer Energie:

Ekin,max=hf−WA\boxed{E_{\text{kin,max}} = h f - W_A}

Das ist die Einsteinsche Gleichung.

4. Anzahl hängt von der Helligkeit ab. Hellere Beleuchtung bedeutet mehr Photonen, also mehr ausgelöste Elektronen, aber keines mit höherer Energie.

🔴 Das entscheidende Bild: Man kann einen Baumstamm nicht mit tausend Tischtennisbällen umwerfen, aber mit einem einzigen Stein. Es kommt auf die Energie des einzelnen Stoßes an, nicht auf die Gesamtmenge.

Die Grenzfrequenz

Aus Ekin=0E_{\text{kin}} = 0 folgt

fg=WAhf_g = \frac{W_A}{h}

Austrittsarbeiten typischer Metalle:

MetallWAW_Afgf_gentspricht
Cäsium1,9 eV1{,}9\,\text{eV}4,6⋅1014 Hz4{,}6 \cdot 10^{14}\,\text{Hz}rot
Zink4,3 eV4{,}3\,\text{eV}1,0⋅1015 Hz1{,}0 \cdot 10^{15}\,\text{Hz}UV
Platin5,6 eV5{,}6\,\text{eV}1,4⋅1015 Hz1{,}4 \cdot 10^{15}\,\text{Hz}UV

Deshalb benutzt man in Photozellen Alkalimetalle: Ihre Austrittsarbeit ist klein genug für sichtbares Licht.

Die Energie hängt an der Farbe, nicht an der HelligkeitFrequenz fBewegungsenergieso sagt es die WellentheorieCäsiumZinkDarunter passiert nichts.E(kin) = h · f − W(A)Gleiche Steigung h, verschiedene Grenzfrequenz.Die Messung widerlegt die Wellenvorstellung

Vergleiche die gestrichelte Waagerechte mit den beiden Geraden: Die Wellentheorie sagt eine voraus, die von der nicht abhängt, gemessen wird eine Gerade. Und links von der Grenzfrequenz passiert gar nichts, egal wie hell man leuchtet. Beide Geraden haben dieselbe Steigung; sie ist das Plancksche Wirkungsquantum h und hängt nicht vom Metall ab. Verschieden ist nur, wo sie beginnen. Das ist die Austrittsarbeit.

Die Gegenfeldmethode

Wie misst man Ekin,maxE_{\text{kin,max}}? Man legt eine Gegenspannung an, die die Elektronen abbremst. Bei der Grenzspannung U0U_0 kommt gerade keines mehr an:

e⋅U0=Ekin,max=hf−WAe \cdot U_0 = E_{\text{kin,max}} = hf - W_A

Trägt man U0U_0 über ff auf, ergibt sich eine Gerade:

U0=hef−WAeU_0 = \frac{h}{e} f - \frac{W_A}{e}
  • Die Steigung ist he\frac{h}{e}, daraus folgt hh.
  • Der Achsenschnittpunkt liefert WAW_A.
  • Die Nullstelle ist die Grenzfrequenz.

🔴 Bemerkenswert: Die Steigung ist für alle Metalle gleich. Nur die Lage der Geraden verschiebt sich. Genau das bestätigt, dass hh eine Naturkonstante ist und nicht eine Materialeigenschaft.

Millikan bestimmte hh 1916 auf diese Weise mit hoher Genauigkeit, obwohl er die Lichtquantenhypothese für falsch hielt und sie widerlegen wollte.

Anwendungen

AnwendungPrinzip
Photozelle, BelichtungsmesserPhotostrom ist der Beleuchtung proportional
Photomultiplierverstärkt einzelne Photonen millionenfach
Solarzelleinnerer Photoeffekt im
Bildsensor (CCD, CMOS)Photonen erzeugen je Bildpunkt
Nachtsichtgerätwandelt schwaches Licht in Elektronen um

Bei Solarzellen wirkt der Photoeffekt im Inneren eines Halbleiters. Auch dort gilt: Photonen unterhalb einer Mindestenergie tragen nichts bei, weshalb ein Teil des Sonnenspektrums prinzipiell ungenutzt bleibt. Das begrenzt den .

Die Bedeutung

Einsteins Deutung war der Beginn der Quantenphysik. Sie stand in scharfem Gegensatz zum , der eindeutig Wellenverhalten zeigte.

Licht zeigt je nach Versuch - oder Teilcheneigenschaften.

Dieser Welle-Teilchen-Dualismus ist kein Zeichen von Unwissen, sondern eine grundlegende Eigenschaft der Natur.

Die Einsteinsche Gleichung anwenden

Eine Zinkplatte (WA=4,3 eVW_A = 4{,}3\,\text{eV}) wird bestrahlt.

a) Wie groß ist die Grenzfrequenz, und welcher entspricht sie?

b) Kann sichtbares Licht (400400 bis 780 nm780\,\text{nm}) Elektronen auslösen?

c) Mit UV-Licht von λ=200 nm\lambda = 200\,\text{nm}: Wie groß ist Ekin,maxE_{\text{kin,max}}?

d) Welche Gegenspannung hält die Elektronen gerade auf?

  1. 1

    a) fg=WAh=4,3 eV4,136⋅10−15 eVs≈1,04⋅1015 Hzf_g = \frac{W_A}{h} = \frac{4{,}3\,\text{eV}}{4{,}136 \cdot 10^{-15}\,\text{eVs}} \approx 1{,}04 \cdot 10^{15}\,\text{Hz}

    Zugehörige Wellenlänge:

    λg=cfg=3,0⋅108 ms1,04⋅1015 Hz≈2,9⋅10−7 m=290 nm\lambda_g = \frac{c}{f_g} = \frac{3{,}0 \cdot 10^{8}\,\frac{\text{m}}{\text{s}}}{1{,}04 \cdot 10^{15}\,\text{Hz}} \approx 2{,}9 \cdot 10^{-7}\,\text{m} = 290\,\text{nm}
  2. 2

    b) Nein. Sichtbares Licht hat Wellenlängen ab 400 nm400\,\text{nm}, also größer als die Grenzwellenlänge von 290 nm290\,\text{nm}.

    Größere Wellenlänge bedeutet kleinere und damit zu wenig je Photon:

    E400 nm=hcλ=4,136⋅10−15⋅3⋅108400⋅10−9 eV≈3,1 eV<4,3 eVE_{400\,\text{nm}} = \frac{hc}{\lambda} = \frac{4{,}136 \cdot 10^{-15} \cdot 3 \cdot 10^{8}}{400 \cdot 10^{-9}}\,\text{eV} \approx 3{,}1\,\text{eV} < 4{,}3\,\text{eV}

    🔴 Auch der stärkste Scheinwerfer ändert daran nichts. Er liefert mehr Photonen, aber jedes einzelne bleibt zu schwach. Das ist der Kern des Widerspruchs zur Wellentheorie.

    Man braucht UV-Licht, und genau das zeigt der klassische Schulversuch: Ein negativ geladenes Zinkblech entlädt sich unter einer UV-Lampe, unter einer noch so hellen Glühlampe aber nicht.

  3. 3

    c) Photonenenergie bei 200 nm200\,\text{nm}:

    E=hcλ=4,136⋅10−15 eVs⋅3,0⋅108 ms200⋅10−9 m≈6,2 eVE = \frac{hc}{\lambda} = \frac{4{,}136 \cdot 10^{-15}\,\text{eVs} \cdot 3{,}0 \cdot 10^{8}\,\frac{\text{m}}{\text{s}}}{200 \cdot 10^{-9}\,\text{m}} \approx 6{,}2\,\text{eV}

    Einsteinsche Gleichung:

    Ekin,max=hf−WA=6,2 eV−4,3 eV=1,9 eVE_{\text{kin,max}} = hf - W_A = 6{,}2\,\text{eV} - 4{,}3\,\text{eV} = 1{,}9\,\text{eV}

    Nur der Überschuss über die Austrittsarbeit steht als Bewegungsenergie zur Verfügung.

  4. 4

    d) Die Gegenspannung muss die kinetische Energie gerade aufzehren:

    eU0=Ekin,max⟹U0=1,9 eVe=1,9 Ve U_0 = E_{\text{kin,max}} \quad \Longrightarrow \quad U_0 = \frac{1{,}9\,\text{eV}}{e} = 1{,}9\,\text{V}

    🔴 Hier zeigt sich der Vorteil der Einheit Elektronenvolt: Die Energie in eV ist zahlenmäßig gleich der Gegenspannung in Volt. Man kann das Ergebnis direkt ablesen, ohne umzurechnen.

    Warum man so misst: Die kinetische Energie einzelner Elektronen lässt sich nicht direkt messen. Man legt deshalb eine Gegenspannung an und erhöht sie, bis der Photostrom gerade auf null sinkt. Dann haben auch die schnellsten Elektronen die Anode nicht mehr erreicht.

    Und daraus gewinnt man hh: Misst man U0U_0 für verschiedene Frequenzen und trägt es über ff auf, erhält man eine Gerade mit der Steigung he\frac{h}{e}. Genau so bestimmte Millikan 1916 das Plancksche Wirkungsquantum, obwohl er die Lichtquantenhypothese widerlegen wollte.

a) 1,04⋅1015 Hz1{,}04 \cdot 10^{15}\,\text{Hz}, entsprechend 290 nm290\,\text{nm} b) nein, sichtbares Licht reicht nicht c) 1,9 eV1{,}9\,\text{eV} d) U0=1,9 VU_0 = 1{,}9\,\text{V}.

Warum die Wellentheorie versagt

Erkläre für jeden der vier Befunde, was die Wellentheorie vorhersagt und warum die Photonenvorstellung stattdessen passt.

  1. 1

    Befund 1: Es gibt eine Grenzfrequenz.

    Wellentheorie: Die einer steckt in ihrer , also in der Helligkeit. Bei hellerem Licht sollte irgendwann genug Energie zusammenkommen, um Elektronen zu lösen, unabhängig von der Farbe. Eine Grenzfrequenz dürfte es nicht geben.

    Beobachtung: Rotes Licht löst auch bei größter Helligkeit keine Elektronen aus, blaues auch bei geringster Helligkeit sofort.

    Photonenvorstellung: Ein Elektron nimmt immer genau ein Photon auf. Reicht dessen Energie hfhf nicht für die Austrittsarbeit, geschieht nichts. Mehr Photonen derselben Sorte helfen nicht, weil kein Elektron zwei davon sammelt.

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    Befund 2: Kein Zeitverzug.

    Wellentheorie: Bei sehr schwachem Licht müsste ein Atom Energie ansammeln, bis genug für den Austritt beisammen ist. Eine Abschätzung ergibt Wartezeiten von Stunden.

    Beobachtung: Die Elektronen treten in weniger als einer Nanosekunde aus, selbst bei schwächstem Licht.

    Photonenvorstellung: Ein Photon trifft und überträgt seine gesamte Energie in einem einzigen Vorgang. Es gibt nichts anzusammeln, deshalb keine Verzögerung.

    🔴 Der Unterschied beträgt hier rund dreizehn Zehnerpotenzen. Das ist keine Ungenauigkeit, sondern ein völliges Versagen der Vorhersage.

  3. 3

    Befund 3: Die Energie hängt nur von der ab.

    Wellentheorie: Mehr Helligkeit bedeutet mehr Energie je Fläche, also sollten die Elektronen bei hellerem Licht schneller herausfliegen.

    Beobachtung: Die maximale kinetische Energie hängt allein von der Frequenz ab. Hundertfache Helligkeit ändert sie nicht um ein Promille.

    Photonenvorstellung: Was übrig bleibt, ist der Überschuss eines einzelnen Photons:

    Ekin,max=hf−WAE_{\text{kin,max}} = hf - W_A

    Die Helligkeit bestimmt, wie viele Photonen ankommen, nicht wie energiereich jedes ist.

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    Befund 4: Die Anzahl hängt von der Helligkeit ab.

    Wellentheorie: Hier stimmt die Vorhersage zufällig, allerdings aus dem falschen Grund. Sie kann nicht erklären, warum die Anzahl nicht von der Frequenz abhängt.

    Photonenvorstellung: Helleres Licht bedeutet mehr Photonen je Sekunde, also mehr ausgelöste Elektronen. Jedes einzelne behält aber dieselbe Energie.

    Zusammenfassung des Widerspruchs:

    WellentheorieBeobachtung
    Helligkeit steuertEnergie der ElektronenAnzahl der Elektronen
    Frequenz steuertAnzahl der ElektronenEnergie der Elektronen

    🔴 Die beiden Rollen sind genau vertauscht. Das lässt sich nicht durch bessere Messungen oder Zusatzannahmen retten; es verlangt eine neue Vorstellung vom Licht.

    Das anschauliche Bild: Mit tausend Tischtennisbällen wirft man keinen Baumstamm um, mit einem einzigen Stein schon. Es kommt auf die Energie des einzelnen Stoßes an. Mehr Bälle bedeuten mehr Treffer, aber nie einen wirksameren.

    Und der Preis dieser Erklärung: Der beweist ebenso zwingend, dass Licht eine Welle ist. Beide Befunde sind richtig. Genau daraus entsteht der Welle-Teilchen-Dualismus.

Die Wellentheorie vertauscht die Rollen von Helligkeit und Frequenz und sagt eine Verzögerung von Stunden statt Nanosekunden voraus. Die Photonenvorstellung erklärt alle vier Befunde, weil jedes Elektron genau ein Photon aufnimmt.

Typischer Fehler

„Wenn rotes Licht keine Elektronen auslöst, muss man es einfach heller machen."

Das hilft nicht, gleich wie hell das Licht wird. Genau das ist der zentrale Befund des Photoeffekts.

Der Grund: Ein Elektron nimmt immer genau ein Photon auf, ganz oder gar nicht. Reicht dessen hfhf nicht für die Austrittsarbeit, passiert nichts. Zwei Photonen können sich nicht zusammentun, weil das Elektron das erste längst wieder abgegeben hat, bevor das zweite eintrifft.

Was helleres Licht bewirkt: Es liefert mehr Photonen je Sekunde. Jedes einzelne bleibt aber genau so schwach wie zuvor. Man vervielfacht also die Zahl der wirkungslosen Versuche.

Das Bild dazu: Mit tausend Tischtennisbällen wirft man keinen Baumstamm um, mit einem einzigen Stein schon. Mehr Bälle bedeuten mehr Treffer, aber nie einen wirksameren.

Der Schulversuch zeigt es eindrucksvoll: Ein negativ geladenes Zinkblech entlädt sich unter einer schwachen UV-Lampe sofort. Unter einer sehr hellen Glühlampe, die tausendfach mehr Lichtleistung liefert, geschieht nichts. Schiebt man eine Glasscheibe zwischen UV-Lampe und Blech, hört die Entladung ebenfalls sofort auf, weil Glas UV absorbiert.

Warum die Fehlvorstellung so nahe liegt: In der Alltagserfahrung wirkt „mehr" fast immer stärker. Mehr schmilzt mehr Eis, mehr verbiegt mehr Metall. Bei Schwellenprozessen ist das anders: Unterhalb der Schwelle geschieht nichts, egal wie viel man davon nimmt.

Wo dasselbe Prinzip sonst wichtig ist:

  • Sonnenbrand entsteht durch UV, nicht durch Helligkeit. Ein heller Wintertag mit wenig UV ist ungefährlicher als ein diesiger Sommertag.
  • Radiowellen sind auch bei hoher Sendeleistung nicht ionisierend.
  • Solarzellen nutzen langwelliges Licht prinzipiell nicht, was ihren begrenzt.

Merksatz: Bei Quantenprozessen entscheidet die Energie des einzelnen Photons, nicht die Gesamtmenge.

Übung 1

leicht

a) Wie groß ist die eines Photons mit f=6,0⋅1014 Hzf = 6{,}0 \cdot 10^{14}\,\text{Hz} in eV?

b) Ein Metall hat WA=2,3 eVW_A = 2{,}3\,\text{eV}. Wie groß ist die Grenzfrequenz?

c) Was passiert bei Licht unterhalb der Grenzfrequenz, auch wenn es sehr hell ist?

Tipp anzeigen

a) h=4,136⋅10−15 eVsh = 4{,}136 \cdot 10^{-15}\,\text{eVs}.

Lösung anzeigen

a) E=hf=4,136⋅10−15 eVs⋅6,0⋅1014 Hz≈2,5 eVE = hf = 4{,}136 \cdot 10^{-15}\,\text{eVs} \cdot 6{,}0 \cdot 10^{14}\,\text{Hz} \approx 2{,}5\,\text{eV}

b) fg=WAh=2,3 eV4,136⋅10−15 eVs≈5,6⋅1014 Hzf_g = \frac{W_A}{h} = \frac{2{,}3\,\text{eV}}{4{,}136 \cdot 10^{-15}\,\text{eVs}} \approx 5{,}6 \cdot 10^{14}\,\text{Hz}

c) Es treten keine Elektronen aus, gleich wie hell das Licht ist.

Jedes Elektron nimmt genau ein Photon auf. Reicht dessen Energie nicht für die Austrittsarbeit, geschieht nichts. Helleres Licht liefert nur mehr Photonen, aber keine energiereicheren.

Detaillierte Schritterklärung anzeigen

Hier wird jeder Schritt einzeln erklärt, vor allem, warum er gemacht wird.

Erklärungstiefe

✦ Empfohlen: Standard – Die normale Erklärungstiefe passt zum Einstieg.

  1. 1

    Gegeben und Gesucht beim Photoeffekt

    a) gibt f=6,0⋅1014 Hzf = 6{,}0 \cdot 10^{14}\,\text{Hz}; gesucht ist die Photonenenergie in Elektronenvolt. b) gibt WA=2,3 eVW_A = 2{,}3\,\text{eV}; gesucht ist die Grenzfrequenz. c) fragt nach sehr hellem Licht unterhalb dieser Grenze.

  2. 2

    Die Einsteinsche Gleichung des Photoeffekts

    Ein Photon trägt die Energie E=hfE = hf. Um ein Elektron aus dem Metall zu lösen, muss diese Energie mindestens die Austrittsarbeit WAW_A decken; der Rest bleibt als kinetische Energie: Ekin,max=hf−WAE_{\text{kin,max}} = hf - W_A. Bei Ekin,max=0E_{\text{kin,max}} = 0 ergibt sich die Grenzfrequenz fg=WAhf_g = \frac{W_A}{h}.

  3. 3

    a) und b) Photonenenergie und Grenzfrequenz

    Erst hh mal , dann Austrittsarbeit geteilt durch hh.

    E=4,136⋅10−15 eVs⋅6,0⋅1014 Hz≈2,5 eVE = 4{,}136 \cdot 10^{-15}\,\text{eVs} \cdot 6{,}0 \cdot 10^{14}\,\text{Hz} \approx 2{,}5\,\text{eV}; fg=2,3 eV4,136⋅10−15 eVs≈5,6⋅1014 Hzf_g = \frac{2{,}3\,\text{eV}}{4{,}136 \cdot 10^{-15}\,\text{eVs}} \approx 5{,}6 \cdot 10^{14}\,\text{Hz}

    Zwischenergebnis

    E≈2,5 eVE \approx 2{,}5\,\text{eV}, fg≈5,6⋅1014 Hzf_g \approx 5{,}6 \cdot 10^{14}\,\text{Hz}

  4. 4

    c) Ergebnis deuten: warum Helligkeit unterhalb der Grenze nichts nützt

    Es treten keine Elektronen aus, gleich wie hell das Licht ist. Jedes Elektron nimmt genau ein Photon auf; reicht dessen Energie nicht für die Austrittsarbeit, geschieht nichts. Helleres Licht liefert nur mehr Photonen, aber keine energiereicheren.

Übung 2

mittel

a) Cäsium hat WA=1,9 eVW_A = 1{,}9\,\text{eV}. Kann grünes Licht (λ=550 nm\lambda = 550\,\text{nm}) Elektronen auslösen? Wenn ja, mit welcher ?

b) Warum benutzt man in Photozellen Alkalimetalle?

c) Warum verdoppelt sich die Energie der Elektronen nicht, wenn man die Helligkeit verdoppelt?

d) Warum entlädt sich ein Zinkblech unter einer UV-Lampe, unter einer hellen Glühlampe aber nicht?

Tipp anzeigen

a) E=1240 eV⋅nmλE = \frac{1240\,\text{eV}\cdot\text{nm}}{\lambda}.

Lösung anzeigen

a) Photonenenergie:

E=1240 eV⋅nm550 nm≈2,25 eVE = \frac{1240\,\text{eV}\cdot\text{nm}}{550\,\text{nm}} \approx 2{,}25\,\text{eV}

Da 2,25 eV>1,9 eV2{,}25\,\text{eV} > 1{,}9\,\text{eV}, werden Elektronen ausgelöst.

Ekin,max=2,25 eV−1,9 eV=0,35 eVE_{\text{kin,max}} = 2{,}25\,\text{eV} - 1{,}9\,\text{eV} = 0{,}35\,\text{eV}

b) Weil ihre Austrittsarbeit klein ist (Cäsium 1,9 eV1{,}9\,\text{eV}, Kalium 2,3 eV2{,}3\,\text{eV}) und die Grenzfrequenz damit im sichtbaren Bereich liegt.

Bei Metallen mit größerer Austrittsarbeit (Zink 4,3 eV4{,}3\,\text{eV}, Platin 5,6 eV5{,}6\,\text{eV}) läge die Grenze im UV, und die Zelle wäre für sichtbares Licht unbrauchbar.

Der Grund für die kleine Austrittsarbeit: Alkalimetalle haben nur ein einzelnes, schwach gebundenes Außenelektron. Genau deshalb sind sie auch chemisch so reaktionsfreudig.

Der Preis dafür: Solche Kathoden sind empfindlich gegen Luft und Feuchtigkeit und müssen im Vakuum arbeiten.

c) Weil die Helligkeit die Anzahl der Photonen bestimmt, nicht ihre Energie.

Doppelte Helligkeit bedeutet doppelt so viele Photonen je Sekunde, also doppelt so viele ausgelöste Elektronen und damit doppelten Photostrom. Jedes einzelne Photon hat aber unverändert die Energie hfhf, also bleibt

Ekin,max=hf−WAE_{\text{kin,max}} = hf - W_A

unverändert.

🔴 Genau hier vertauscht die Wellentheorie die Rollen: Nach ihr müsste die Helligkeit die Energie steuern. Gemessen wird das Gegenteil.

Nachweis im Versuch: Erhöht man die Helligkeit, steigt der Photostrom, die Grenzspannung U0U_0 bleibt aber exakt gleich. Ändert man dagegen die , verschiebt sich U0U_0, während der Strom sich kaum ändert.

d) Weil es allein auf die Frequenz ankommt, nicht auf die Helligkeit.

UV-Lampe: Photonen mit rund 55 bis 6 eV6\,\text{eV}, also mehr als die Austrittsarbeit von Zink (4,3 eV4{,}3\,\text{eV}). Elektronen treten aus, das negativ geladene Blech verliert und entlädt sich sofort.

Glühlampe: Selbst eine sehr helle Glühlampe liefert überwiegend sichtbares Licht und Infrarot, also Photonen mit höchstens rund 3 eV3\,\text{eV}. Jedes einzelne ist zu schwach, und ihre große Zahl ändert daran nichts.

Die überzeugendste Ergänzung des Versuchs: Schiebt man eine Glasscheibe zwischen UV-Lampe und Blech, hört die Entladung sofort auf, obwohl das Blech weiterhin hell beleuchtet wird. Glas absorbiert UV, lässt sichtbares Licht aber durch.

Damit ist ausgeschlossen, dass es an der Helligkeit oder an liegt: Es liegt allein an der Frequenz.

🔴 Dieselbe Physik im Alltag: Man bekommt hinter Fensterglas keinen Sonnenbrand, obwohl es im Zimmer hell ist. Und man kann sich an einem diesigen Sommertag stärker verbrennen als an einem strahlenden Wintertag, weil der UV-Anteil und nicht die Helligkeit entscheidet.

Detaillierte Schritterklärung anzeigen

Hier wird jeder Schritt einzeln erklärt, vor allem, warum er gemacht wird.

Erklärungstiefe

✦ Empfohlen: Standard – Die normale Erklärungstiefe passt zum Einstieg.

  1. 1

    Gegeben und Gesucht bei der Cäsium-Photozelle

    a) gibt Cäsium mit WA=1,9 eVW_A = 1{,}9\,\text{eV} und grünes Licht mit λ=550 nm\lambda = 550\,\text{nm}; gesucht ist, ob Elektronen austreten und mit welcher Energie. b) bis d) fragen nach Alkalimetallen, nach der Helligkeit und nach dem Zinkblech.

  2. 2

    Die Austrittsbedingung als Vergleich zweier Energien

    Elektronen treten genau dann aus, wenn die Photonenenergie die Austrittsarbeit übersteigt: E>WAE > W_A. Der Überschuss bleibt als kinetische Energie: Ekin,max=E−WAE_{\text{kin,max}} = E - W_A.

  3. 3

    a) Photonenenergie und kinetische Energie der Elektronen

    Erst die Photonenenergie aus der Wellenlänge, dann mit der Austrittsarbeit vergleichen und die Differenz bilden.

    E=1240 eV⋅nm550 nm≈2,25 eVE = \frac{1240\,\text{eV}\cdot\text{nm}}{550\,\text{nm}} \approx 2{,}25\,\text{eV}; Ekin,max=2,25 eV−1,9 eV=0,35 eVE_{\text{kin,max}} = 2{,}25\,\text{eV} - 1{,}9\,\text{eV} = 0{,}35\,\text{eV}

    Zwischenergebnis

    Ekin,max=0,35 eVE_{\text{kin,max}} = 0{,}35\,\text{eV}

  4. 4

    b) und c) Alkalimetalle und die Rolle der Helligkeit

    b) Weil ihre Austrittsarbeit klein ist (Cäsium 1,9 eV1{,}9\,\text{eV}, Kalium 2,3 eV2{,}3\,\text{eV}) und die Grenzfrequenz damit im sichtbaren Bereich liegt, bei Zink (4,3 eV4{,}3\,\text{eV}) oder Platin (5,6 eV5{,}6\,\text{eV}) läge sie im UV. c) Die Helligkeit bestimmt die Anzahl der Photonen, nicht ihre Energie; Ekin,max=hf−WAE_{\text{kin,max}} = hf - W_A bleibt unverändert.

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    d) Ergebnis deuten: Zinkblech, UV-Lampe und die Glasscheibe

    UV-Lampe: Photonen mit rund 55 bis 6 eV6\,\text{eV}, mehr als Zinks Austrittsarbeit von 4,3 eV4{,}3\,\text{eV}, das Blech entlädt sich sofort. Glühlampe: höchstens rund 3 eV3\,\text{eV} je Photon, und ihre große Zahl ändert daran nichts.

Übung 3

schwer

a) Nenne die vier Befunde des Photoeffekts und begründe, warum jeder der Wellentheorie widerspricht.

b) Wie bestimmt man hh aus einer Messreihe? Beschreibe das Verfahren.

c) Warum ist die Steigung der Geraden U0(f)U_0(f) für alle Metalle gleich, und was folgt daraus?

d) Warum begrenzt der Photoeffekt den von Solarzellen?

Tipp anzeigen

b) Trage U0U_0 über ff auf.

Lösung anzeigen

a) 1. Grenzfrequenz. Unterhalb von fgf_g treten keine Elektronen aus, gleich wie hell das Licht ist.

Widerspruch: Nach der Wellentheorie steckt die in der . Bei genügender Helligkeit müsste jede Farbe wirken.

2. Kein Zeitverzug. Elektronen treten in unter 10−9 s10^{-9}\,\text{s} aus, auch bei schwächstem Licht.

Widerspruch: Die Wellentheorie sagt bei schwachem Licht Wartezeiten von Stunden voraus, bis genug Energie angesammelt ist. Der Unterschied beträgt rund dreizehn Zehnerpotenzen.

3. Ekin,maxE_{\text{kin,max}} hängt nur von ff ab. Hundertfache Helligkeit ändert sie nicht.

Widerspruch: Nach der Wellentheorie müsste helleres Licht schnellere Elektronen liefern.

4. Die Anzahl hängt von der Helligkeit ab, nicht von der .

Widerspruch: Die Wellentheorie kann nicht erklären, warum gerade die Anzahl und nicht die Energie an der Helligkeit hängt.

🔴 Der Kern: Wellentheorie und Beobachtung vertauschen die Rollen von Frequenz und Helligkeit vollständig. Das ist kein Messfehler, sondern verlangt eine neue Vorstellung.

b) Verfahren (Gegenfeldmethode):

Schritt 1: Bestrahle die Photokathode mit einfarbigem Licht bekannter Frequenz ff (verschiedene Farbfilter oder Spektrallampen).

Schritt 2: Lege eine Gegenspannung an, die die ausgelösten Elektronen abbremst, und erhöhe sie, bis der Photostrom gerade auf null sinkt. Diese Grenzspannung U0U_0 wird notiert.

Schritt 3: Wiederhole das für mehrere Frequenzen.

Schritt 4: Trage U0U_0 über ff auf. Aus

eU0=hf−WA⟹U0=hef−WAeeU_0 = hf - W_A \quad \Longrightarrow \quad U_0 = \frac{h}{e}f - \frac{W_A}{e}

folgt eine Gerade.

Schritt 5: Auswertung.

  • Steigung m=hem = \frac{h}{e}, also h=m⋅eh = m \cdot e.
  • Achsenabschnitt −WAe-\frac{W_A}{e} liefert die Austrittsarbeit.
  • Nullstelle ist die Grenzfrequenz fgf_g.

Warum die Auswertung über die Steigung besser ist als eine Einzelmessung: Zufällige Messfehler mitteln sich bei der Geradenanpassung heraus, und systematische Fehler bei WAW_A (etwa durch Oberflächenverunreinigung) beeinflussen nur den Achsenabschnitt, nicht die Steigung.

Genau so bestimmte Millikan 1916 hh mit hoher Genauigkeit, obwohl er die Lichtquantenhypothese für falsch hielt und sie eigentlich widerlegen wollte.

c) Weil hh und ee Naturkonstanten sind, die nichts mit dem Material zu tun haben:

Steigung=he\text{Steigung} = \frac{h}{e}

Das Material geht nur über die Austrittsarbeit WAW_A ein, und die steht im Achsenabschnitt:

U0=he⏟universellf−WAe⏟materialabha¨ngigU_0 = \underbrace{\frac{h}{e}}_{\text{universell}} f - \underbrace{\frac{W_A}{e}}_{\text{materialabhängig}}

Misst man verschiedene Metalle, erhält man deshalb parallele Geraden, die gegeneinander verschoben sind.

🔴 Was daraus folgt, ist der eigentliche Gehalt des Versuchs:

Wäre die Erscheinung eine Materialeigenschaft, gäbe es keinen Grund für gleiche Steigungen. Dass sie für Cäsium, Zink und Platin identisch ist, zeigt: hh ist eine Eigenschaft des Lichts, nicht des Metalls.

Damit ist die Lichtquantenhypothese nicht nur eine mögliche Erklärung, sondern quantitativ bestätigt. Und hh erweist sich als fundamentale Naturkonstante, die später überall wieder auftaucht: bei , bei Atommodellen, in der Unschärferelation.

Seit 2019 ist hh sogar exakt festgelegt und dient zur Definition des Kilogramms.

d) Weil Photonen unterhalb einer Mindestenergie gar nichts beitragen und der Überschuss bei energiereichen Photonen verloren geht.

In einer Solarzelle muss ein Photon ein Elektron über die Bandlücke des heben. Daraus folgen zwei prinzipielle Verluste:

1. Zu schwache Photonen bleiben ungenutzt. Bei Silizium beträgt die Bandlücke rund 1,1 eV1{,}1\,\text{eV}, entsprechend λ≈1100 nm\lambda \approx 1100\,\text{nm}. Alles langwelligere Licht (ein erheblicher Teil des Infrarot im Sonnenspektrum) trägt nichts bei und erwärmt die Zelle nur.

2. Zu starke Photonen verschenken ihren Überschuss. Ein blaues Photon mit 3 eV3\,\text{eV} hebt ebenfalls nur ein Elektron über die Bandlücke. Die überschüssigen 1,9 eV1{,}9\,\text{eV} werden als abgegeben, nicht als Strom.

Ein Zielkonflikt ohne Ausweg:

  • Kleine Bandlücke bedeutet, dass viele Photonen genutzt werden, aber jedes wenig liefert.
  • Große Bandlücke bedeutet mehr Spannung je Photon, aber ein großer Teil des Spektrums bleibt ungenutzt.

Daraus folgt für eine einfache Silizium-Zelle eine theoretische Obergrenze von rund 33 Prozent (Shockley-Queisser-Grenze). Handelsübliche Zellen erreichen 2020 bis 23 %23\,\%.

🔴 Das ist keine technische, sondern eine quantenphysikalische Grenze. Bessere Fertigung kann sie nicht überwinden.

Wie man sie dennoch übertrifft: Mit Mehrfachsolarzellen, die mehrere Halbleiterschichten mit verschiedenen Bandlücken übereinander stapeln. Jede Schicht nutzt einen anderen Teil des Spektrums. Damit erreicht man im Labor über 47 %47\,\%, allerdings zu erheblichen Kosten, weshalb solche Zellen vor allem in der Raumfahrt eingesetzt werden.

Detaillierte Schritterklärung anzeigen

Hier wird jeder Schritt einzeln erklärt, vor allem, warum er gemacht wird.

Erklärungstiefe

✦ Empfohlen: Standard – Die normale Erklärungstiefe passt zum Einstieg.

  1. 1

    Gegeben und Gesucht, vier Befunde, ein Messverfahren, zwei Deutungen

    Diese Aufgabe rechnet nicht mit Zahlen, sondern verlangt Physik in Worten: die vier Befunde mit ihrem Widerspruch zur Wellentheorie, das Messverfahren für hh, die Bedeutung der Geradensteigung und die Grenzen der Solarzelle.

  2. 2

    b) Die Gegenfeldmethode und die Geradengleichung

    Die Grenzspannung U0U_0 bremst die Elektronen gerade auf null ab, es gilt also eU0=hf−WAeU_0 = hf - W_A. Umgestellt ist das eine Geradengleichung in ff: U0=hef−WAeU_0 = \frac{h}{e}f - \frac{W_A}{e}.

  3. 3

    a) Die vier Befunde und ihr Widerspruch zur Wellentheorie

    1. Grenzfrequenz: Unterhalb fgf_g nichts, gleich wie hell, nach der Wellentheorie müsste bei genügender Helligkeit jede Farbe wirken. 2. Kein Zeitverzug: Austritt in unter 10−9 s10^{-9}\,\text{s}, die Wellentheorie sagt bei schwachem Licht Stunden voraus. 3. Ekin,maxE_{\text{kin,max}} hängt nur von ff ab, nach der Wellentheorie müsste helleres Licht schnellere Elektronen liefern. 4. Die Anzahl hängt an der Helligkeit, nicht an der Frequenz.

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    c) Warum die Steigung materialunabhängig ist

    Weil hh und ee Naturkonstanten sind, die nichts mit dem Material zu tun haben. Das Material geht nur über WAW_A ein, und die steht im Achsenabschnitt. Verschiedene Metalle liefern deshalb parallele Geraden.

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    d) Ergebnis deuten: die Grenze des Solarzellen-Wirkungsgrads

    In einer Solarzelle muss ein Photon ein Elektron über die Bandlücke heben. Daraus folgen zwei Verluste: Zu schwache Photonen (bei Silizium unter 1,1 eV1{,}1\,\text{eV}, also viel Infrarot) tragen nichts bei; zu starke Photonen verschenken ihren Überschuss als Wärme, weil auch ein blaues Photon nur ein Elektron hebt.

Zusammenfassung

Beim Photoeffekt treten Elektronen aus einem Metall aus, sobald das Licht eine bestimmte Grenzfrequenz überschreitet, und zwar sofort und mit einer , die allein von der abhängt, während die Helligkeit nur die Anzahl bestimmt. Die Wellentheorie sagt in allen diesen Punkten das Gegenteil voraus, insbesondere eine Wartezeit von Stunden statt Nanosekunden. Einstein erklärte den Befund 1905 mit der Annahme, dass Licht in Portionen der Energie hfhf ausgetauscht wird und ein Elektron immer genau ein solches Photon aufnimmt. Daraus folgt unmittelbar die Einsteinsche Gleichung, nach der die kinetische Energie der Überschuss der Photonenenergie über die Austrittsarbeit ist, und mit der Gegenfeldmethode lässt sich daraus das Plancksche Wirkungsquantum bestimmen. Dass die Steigung der Messgeraden für alle Metalle gleich ist, belegt, dass es sich um eine Eigenschaft des Lichts handelt, und markiert den Beginn der Quantenphysik.