Hallwachs-Versuch
Aufgabenstellung
In der Vorlesung wurde der äußere Photoeffekt (Hallwachs-Effekt) demonstriert. Dazu wurden folgende Utensilien benutzt (siehe Abbildung):
- Zinkplatte
- Elektrometer (Messgerät zur Ladungsmessung), das mit der Zinkplatte verbunden ist
- Reibzeug (PVC-Stab und Nylonstrumpf) zur elektrostatischen Aufladung
- Bogenlampe
- Hinweis: Das Licht der Bogenlampe enthält neben dem sichtbaren Anteil auch Infrarot- (größere Wellenlängen als das sichtbare Licht) und Ultraviolettstrahlung (kleinere Wellenlängen als das sichtbare Licht).
- Glasscheibe
Die Durchführung dieses Versuchs läuft wie folgt:
- Die Zinkplatte wird (bei ausgeschalteter Bogenlampe) mit dem Reibzeug negativ aufgeladen.
- Beobachtung: Das Elektrometer zeigt eine Aufladung der Platte an.
- Die Ladung auf der Platte bleibt erhalten (keine Entladung).
- Die Platte wird mit dem Licht der Bogenlampe bestrahlt.
- Beobachtung: Das Elektrometer zeigt eine Entladung der Platte an.
- Die Zinkplatte wird (wieder bei ausgeschalteter Bogenlampe) erneut aufgeladen.
- Beobachtung: Wie in Schritt 1
- Die Glasscheibe wird zwischen Lampe und Zinkplatte aufgestellt, sodass das Licht zunächst diese Scheibe passieren muss, bevor es auf die Metallplatte trifft.
- Die Bogenlampe wird wieder eingeschalten und beleuchtet durch die Glasscheibe hindurch die Zinkplatte.
- Beobachtung: Es tritt keine Entladung der Platte auf.
- Die Glasscheibe wird (bei weiterhin eingeschalteter Lampe) entfernt.
- Beobachtung: Es kommt zur Entladung der Platte
- Die Glasscheibe wird wieder in den Lichtweg gebracht.
- Beobachtung: Die Entladung der Platte wird gestoppt.
Beurteilen Sie die Richtigkeit der folgenden Aussagen zu diesem Versuch.
| Aussage | Richtig | Falsch |
|---|---|---|
| Nach der Aufladung der Platte (Schritt 1 & 3) verhindert die Austrittsarbeit des Zinks, dass Elektronen die Platte verlassen. | ||
| Für die Entladung der Platte ist nur die Ultraviolettstrahlung der Bogenlampe verantwortlich. | ||
| Die Energie, die das Licht auf ein Elektron der Platte übertragen kann, wird durch die Wellenlänge des Lichts bestimmt. | ||
| Für die Entladung der Platte ist nur die Infrarotstrahlung der Bogenlampe verantwortlich. | ||
| Die Glasscheibe erhöht die Austrittsarbeit der Metallplatte. | ||
| Für die Entladung der Platte ist nur das sichtbare Licht der Bogenlampe verantwortlich. | ||
| Ein Elektron nimmt stets nur die Energie eines Lichtquants (Photons) auf. Ist dessen Energie kleiner als die Austrittsarbeit des Zinks, kann das Elektron die Platte nicht verlassen. | ||
| Die Entladung der Platte (Schritte 2 & 6) entsteht, weil das Licht der Bogenlampe die Metallplatte erwärmt. |
Lösung
Für die Energie eines Photons mit der Frequenz f gilt:
E_\mathrm{Ph} = hf = h\frac{c}{\lambda} \, .
Photonen kleinerer Wellenlänge besitzen demzufolge größere Energien.
- Nach der Aufladung der Platte (Schritt 1 & 3) verhindert die Austrittsarbeit des Zinks, dass Elektronen die Platte verlassen.
- Richtig: Austrittsarbeit bezeichnet die Energiebarriere, die die Elektronen (mindestens) überwinden müssen, um die Metallplatte zu verlassen.
- Für die Entladung der Platte ist nur die Ultraviolettstrahlung der Bogenlampe verantwortlich.
- Richtig: Das UV-Licht kann die Glasscheibe nicht passieren, wodurch das Ausbleiben der Entladung in diesem Fall zu erklären ist. Langwelligere Photonen (sichtbares und Infrarot-Licht) tragen nicht genügend Energie zur Überwindung der Austrittsarbeit.
- Die Energie, die das Licht auf ein Elektron der Platte übertragen kann, wird durch die Wellenlänge des Lichts bestimmt.
- Richtig: Dies ist eine der Grundaussagen der Quantenoptik (siehe oben), die durch diesen Versuch bestätigt wird.
- Für die Entladung der Platte ist nur die Infrarotstrahlung der Bogenlampe verantwortlich.
- Falsch: Nur die energiereiche UV-Strahlung führt zur Entladung (siehe Aussage 2).
- Die Glasscheibe erhöht die Austrittsarbeit der Metallplatte.
- Falsch: Die in makroskopischer Entfernung aufgestellte Platte hat keinerlei Einfluss auf die Energieverhältnisse der Metallplatte.
- Für die Entladung der Platte ist nur das sichtbare Licht der Bogenlampe verantwortlich.
- Falsch: Nur die energiereiche UV-Strahlung führt zur Entladung (siehe Aussage 2).
- Ein Elektron nimmt stets nur die Energie eines Lichtquants (Photons) auf. Ist dessen Energie kleiner als die Austrittsarbeit des Zinks, kann das Elektron die Platte nicht verlassen.
- Richtig: Aus diesem Grund bleibt die Entladung aus, wenn das energiereiche (kurzwellige) UV-Licht durch die Glasplatte blockiert wird.
- Die Entladung der Platte (Schritte 2 & 6) entsteht, weil das Licht der Bogenlampe die Metallplatte erwärmt.
- Falsch: Tatsächlich führt die Bestrahlung der Platte auch zu einer Erwärmung. Diese ist jedoch viel zu gering, als dass Elektronen zur thermischen Emission angeregt werden könnten.