Lernziele
- Beschreiben Sie den photoelektrischen Effekt.
Bist du ein Fan von Science Fiction?
In alten Science-Fiction-Geschichten (1950er Jahre)war eines der Themen der Raumfahrt die Verwendung von Sonnensegeln als Antrieb. Die Idee war, dass der Photonendruck von der Sonne das Segel (wie die Windsegel) drücken und das Raumschiff bewegen würde. Was einst Science Fiction war, ist heute Realität, da Sonnensegel für die moderne Raumfahrt entwickelt und getestet werden.
Photoelektrischer Effekt und die Teilchennatur des Lichts
Albert Einstein (1879-1955) schlug 1905 vor, Licht als Energiequanten zu beschreiben, die sich wie Teilchen verhalten. Ein Photon ist ein Teilchen elektromagnetischer Strahlung, das keine Masse hat und ein Energiequantum trägt. Die Energie von Photonen des Lichts wird gemäß der E = hv-Gleichung quantisiert. Viele Jahre lang wurde Licht nur mit Wellenkonzepten beschrieben, und Wissenschaftler, die in der klassischen Physik ausgebildet wurden, fanden diese Welle-Teilchen-Dualität des Lichts schwer zu akzeptieren. Ein Schlüsselexperiment, das Einstein anhand der Teilchennatur des Lichts erklärte, wurde als photoelektrischer Effekt bezeichnet.Der photoelektrische Effekt ist ein Phänomen, das auftritt, wenn Licht, das auf eine Metalloberfläche scheint, den Ausstoß von Elektronen aus diesem Metall verursacht. Es wurde beobachtet, dass nur bestimmte Lichtfrequenzen den Ausstoß von Elektronen verursachen können. Wenn die Frequenz des einfallenden Lichts zu niedrig ist (z. B. rotes Licht), wurden keine Elektronen ausgestoßen, selbst wenn die Intensität des Lichts sehr hoch war oder es lange Zeit auf die Oberfläche schien. Wenn die Frequenz des Lichts höher war (z. B. grünes Licht), konnten Elektronen von der Metalloberfläche ausgestoßen werden, selbst wenn die Intensität des Lichts sehr gering war oder es nur für kurze Zeit leuchtete. Diese minimale Frequenz, die benötigt wird, um einen Elektronenausstoß zu bewirken, wird als Schwellenfrequenz bezeichnet.
Die klassische Physik konnte den photoelektrischen Effekt nicht erklären. Wenn die klassische Physik auf diese Situation angewendet würde, könnte das Elektron im Metall schließlich genug Energie sammeln, um von der Oberfläche ausgestoßen zu werden, selbst wenn das einfallende Licht von niedriger Frequenz war. Einstein verwendete die Teilchentheorie des Lichts, um den photoelektrischen Effekt zu erklären, wie in der folgenden Abbildung gezeigt.
Abbildung 1. Niederfrequentes Licht (rot) kann keinen Elektronenausstoß von der Metalloberfläche verursachen. Bei oder oberhalb der Grenzfrequenz (grün) werden Elektronen ausgestoßen. Noch höherfrequentes einfallendes Licht (blau) bewirkt den Ausstoß der gleichen Anzahl von Elektronen, jedoch mit größerer Geschwindigkeit.
Abbildung 2. Photozellen wandeln Lichtenergie in elektrische Energie um, die diesen Rechner antreibt.
Betrachten Sie die E = hv-Gleichung. Das E ist die minimale Energie, die benötigt wird, damit das Elektron des Metalls ausgestoßen werden kann. Wenn die Frequenz des eingehenden Lichts, v, unter der Schwellenfrequenz liegt, wird niemals genug Energie vorhanden sein, um das Ausstoßen von Elektronen zu bewirken. Wenn die Frequenz gleich oder höher als die Schwellenfrequenz ist, werden Elektronen ausgestoßen.
Wenn die Frequenz über den Schwellenwert hinaus ansteigt, bewegen sich die ausgestoßenen Elektronen einfach schneller. Eine Erhöhung der Intensität des einfallenden Lichts, die über der Schwellenfrequenz liegt, bewirkt, dass die Anzahl der ausgestoßenen Elektronen zunimmt, sich jedoch nicht schneller fortbewegt. Der photoelektrische Effekt wird in den Vorrichtungen angewendet, die Photozellen genannt werden, die in den Alltagsgegenständen wie einem Taschenrechner allgemein gefunden werden, der die Energie des Lichtes verwendet, um Strom zu erzeugen.
Zusammenfassung
- Licht hat Eigenschaften sowohl einer Welle als auch eines Teilchens.
- Der photoelektrische Effekt wird erzeugt, indem Licht auf ein Metall trifft und Elektronen von der Oberfläche des Metalls verdrängt.
Praxis
Verwenden Sie den folgenden Link, um die folgenden Fragen zu beantworten:
http://www.citycollegiate.com/physicsXII_photocell.htm
- Was ist das emittierende Material in dieser Fotozelle?
- Wodurch werden Photoelektronen emittiert?
- Nimmt der Strom mit zunehmender Lichtintensität zu oder ab?
- Was passiert, wenn kein Licht auf die Kathode trifft?
Review
- Was sind die Eigenschaften eines Photons?
- Was zeigt der photoelektrische Effekt über die Eigenschaften von Licht?
- Wie beeinflusst die Frequenz des Lichts die Freisetzung von Photonen?
Glossar
- Photozelle: Nutzen Sie die Energie des Lichts zur Stromerzeugung.
- Photoelektrischer Effekt: Ein Phänomen, das auftritt, wenn Licht, das auf eine Metalloberfläche fällt, Elektronen aus diesem Metall ausstößt.
- photon: Ein Teilchen elektromagnetischer Strahlung, das eine Masse von Null hat und ein Energiequantum trägt.
- Schwellenfrequenz: Minimale Frequenz, die benötigt wird, um einen Elektronenausstoß zu verursachen.