Der Photoeffekt

Wir wissen bereits, dass Licht in der Lage ist, Elektronen aus Metall zu extrahieren. In diesem Experiment soll die Abhängigkeit der kinetischen Energie der freigesetzten Elektronen von der Lichtfrequenz bestimmt werden. Zu diesem Zweck wird eine heiße Zelle (abgeschirmte Kernstrahlungskammern werden allgemein als heiße Zellen bezeichnet) beleuchtet. Die Fotozelle (Photosensoren oder Photodetektoren sind Sensoren für Licht oder andere elektromagnetische Energie) besteht aus einer großen Fläche von Kalium-Metall-Lappenoberfläche mit einem Ring davor. So wenig Licht wie möglich sollte auf den Ring treffen. Die Prüfung erfolgt nach der Gegenfeldmethode, d.h. die Metalloberfläche wird über einen angeschlossenen Niederspannungsmantel negativ geladen und der Metallring positiv geladen. Das elektrische Feld (Ein elektrisches Feld ist ein Vektorfeld, das jedem Punkt im Raum die Coulomb-Kraft zuordnet, die pro Einheit der elektrischen Ladung durch eine unendlich kleine Testladung an diesem Punkt erfahren würde) zwischen dem Metallring und der Metalloberfläche sollte zu Beginn des Tests so schwach sein, dass sich Elektronen trotz des Gegenfeldes von der Metalloberfläche zum Metallring bewegen. Also sollte ein Strom von der Kaliumschicht zum Ring fließen. Fließt ein Strom, ist die kinetische Energie der Elektronen höher als die Energie des Feldes. Nach dem Prinzip der Gegenfeldmethode wird nun die angelegte Spannung

solange erhöht, bis kein Strom mehr fließt. Genau dann ist die Energie des Feldes, die eine Bremskraft auf die Elektronen erzeugt, gleich der maximalen kinetischen Energie der Elektronen. Die so ermittelte Grenzspannung U0 gibt eine Aussage über die maximale kinetische Energie der freigesetzten Elektronen. Die folgende Beziehung gilt zwischen Spannung und kinetischer Energie.
Ekin=U*q (Die Prüflast ist in diesem Fall ein Elektron). Daher wird die kinetische Energie in Elektronenvolt (eV) angegeben. Ein Elektronenvolt (In der Physik ist das Elektronenvolt eine Energieeinheit, die ungefähr Joule entspricht) ist die Energie, die ein Elektron erhält, wenn es eine Strecke von 1V zurücklegt.
Es ist definiert: 1ev=1Nm/e (Daher entsprechen die Werte für Ekin und Uo hier)
1Joule=1Nm=(10^19)/(1,602 eV) Mit einer Qükssilberdampflampe als Lichtquelle können Sie verschiedene Farben als Streifen mit Hilfe eines Prismas isolieren. Jede Farbe hat eine andere Frequenz. Wenn die Gegenspannung Uo für verschiedene Farben gemessen wird, erhält man die folgenden Diagramme.

<colwidth=”30″>

gelbgraublau<thvAlign=”top “width=”62″>violett <tdvAlign=”top” width=”57″>f in 10^14 hz5,195,496.887,49Uo in V0,40,551,051,35Ekinmax in eV0,40.551,051.35

</table
Wie Sie sehen können, steigt die maximale kinetische Energie der freigesetzten Elektronen proportional mit der Frequenz. Es gibt auch eine Grenzfrequenz fg. Ist die Lichtfrequenz kleiner als diese Grenzfrequenz fg, werden keine Elektronen freigesetzt, d.h. die kinetische Energie ist kleiner als Null. Würde man anstelle einer Kaliumplatte eine Zinkplatte (Zink ist ein chemisches Element mit dem Symbol Zn und der Ordnungszahl 30) verwenden, würde man ein Graphen (Graphen ist ein Allotrope aus Kohlenstoff in Form eines zweidimensionalen, atomaren, hexagonalen Gitters, in dem jeweils ein Atom einen Scheitelpunkt bildet) mit dem gleichen Gradienten erhalten. Sein Nullpunkt würde nur weiter rechts auf der ID-Achse liegen. Bei Zink werden Elektronen zunächst durch ultraviolettes Licht herausgelöst. Die Grenzfrequenz ist daher abhängig von der Materialart. Mit Hilfe der Messwerte kann die Steigung des Graphen bestimmt werden. Es ist abgemacht:

<colwidth=”37″>

colorGelbGrauBlauPurplef5,195,496.887,49Ekinmax0,40.551,051.35Steigung:0.50,360.49     mittlere Steigung:0.45   WA-1,94-1,92-2,05-2,02

Der ideale Wert für die Steigung der Grafik ist h=0.417*10^-14 eVs. Sie nennen auch h das Wirkungsquantum der Planken (Die Planck-Konstante ist eine physikalische Konstante, die das Wirkungsquantum ist, zentral in der Quantenmechanik).

Erklärungstheorien für die Ablösung von Elektronen von der Metalloberfläche: Erklärungstheorien für die Ablösung von Elektronen von der Metalloberfläche: Erklärungstheorien für die Ablösung von Elektronen von der Metalloberfläche: Erklärungstheorien für die Ablösung von Elektronen von der Metalloberfläche.
Die klassische Erklärung für diesen Prozess lieferte Lenard mit der Wellentheorie. Nach diesem Modell bewirkt die Energie des Lichts, dass frei verfügbare Elektronen in der Metalloberfläche relativ zu ihrem Atomkern schwingen. Sobald ein Elektron genügend Energie durch das Licht aufgenommen hat, kann es die Metalloberfläche mit einer gewissen kinetischen Energie verlassen. Diese Erklärung stimmt jedoch nicht mit den Testergebnissen überein. Wenn das Licht als Welle wahrgenommen wird, hängt die übertragene Schwingungsenergie, die als Ursache für die Freisetzung angenommen wird, von der Amplitude der Welle und nicht von der Frequenz ab. Das Experiment hat jedoch gezeigt, dass die maximale kinetische Energie der Elektronen sowohl von der Intensität des Lichts als auch von der Bestrahlungstür unabhängig ist. Die Existenz einer Grenzfrequenz ist daher aufgrund ihrer Unabhängigkeit von der Strahlungstür nicht nachvollziehbar. Nach einer gewissen Zeit sollte jedes Elektron genügend Energie gesammelt haben, um die Metalloberfläche zu verlassen. Deshalb wurde das Erklärungsmodell erweitert. Es wird davon ausgegangen, dass jede Metalloberfläche eine bestimmte Resonanzfrequenz f hat und somit die Frequenzabhängigkeit erklärt. Es bleibt jedoch unverständlich, warum die maximale kinetische Energie bei einer Frequenz größer als die Resonanzfrequenz nach dem Experiment wieder ansteigt. Daraus folgt, dass die Idee der Wellen nicht geeignet ist, das Phänomen zu erklären. Weder die Unabhängigkeit von Intensität und Bestrahlungstür noch der lineare Anstieg der maximalen kinetischen Energie mit der Frequenz lassen sich erklären.
Einstein hat deshalb ein grundlegend anderes Erklärungsmodell entwickelt. Er geht davon aus, dass das Licht aus kleinen Energiepaketen (Lichtquantenbündeln) besteht. Die Energie dieser Lichtstrahlen hängt von der Frequenz ab. Es ist h*f. Aufgrund der Münzabhängigkeit stellt es automatisch eine Verbindung zu einem Teil der Wellentheorie her. Er geht auch davon aus, dass sich die Lichtquanten mit Lichtgeschwindigkeit bewegen (Die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum, allgemein bezeichnet, ist eine universelle physikalische Konstante, die in vielen Bereichen der Physik wichtig ist) und dass sie ihre Energie vollständig an Elektronen abgeben können. Er bezeichnet die Lichtquanten im Folgenden seiner Theorie nicht als Photonen. Wenn ein solches Photon (es hat die Frequenz des entsprechenden Lichts) auf einem leitenden Elektron in einem Atomgitter auftritt, kann das Photon seine gesamte Energie h*f auf das Elektron übertragen. Das Elektron hat nun eine gewisse Energie. Ist dies ausreichend, kann sich das Elektron vom Atomgitter lösen (Kristallstruktur ist in der Kristallographie eine Beschreibung der geordneten Anordnung von Atomen, Ionen oder Molekülen in einem kristallinen Material) und die Metalloberfläche mit einer gewissen kinetischen Energie verlassen. Die zum Verlassen der Atombindung erforderliche Energie ist materialabhängig (Grenzfrequenz). Bei der Grenzfrequenz (In der Physik und Elektrotechnik ist eine Grenzfrequenz, Eckfrequenz oder Bruchfrequenz eine Grenze im Frequenzgang eines Systems, bei der die durch das System fließende Energie zu reduzieren beginnt, anstatt sie durchzulaufen) reicht die Gegenkraft gerade aus, um die Energie des Elektrons auszugleichen (Das Elektron ist ein subatomares Teilchen, Symbol oder, mit einer negativen elektrischen Elementarladung), i.e. Das Elektron kann aus dem Atomgitter freigesetzt werden, aber danach ist die kinetische Energie Null. Für die Austrittsarbeit Wa gilt daher: Wa=h*fg. Die übertragene Energie wird aufgeteilt in die für den Austritt benötigte Energie und den Teil, der nach diesem Prozess als kinetische Energie verbleibt. E s gilt also: Energie des Photons (Ein Photon ist ein Elementarteilchen, das Quantum des elektromagnetischen Feldes einschließlich elektromagnetischer Strahlung wie Licht, und der Kraftträger für die elektromagnetische Kraft) = (kinetische Energie nach dem Ausgang)+(Energie für den Ausgang). Dann gilt für die maximale kinetische Energie (in der Physik ist die kinetische Energie eines Objektes die Energie, die es aufgrund seiner Bewegung besitzt) nach dem Ausgang: Ekin=h*f-h*==H(f-fg). Einsteins Aussage stimmt mit den Testergebnissen von sen. Es stellt sich jedoch die Frage, wie man die anderen Eigenschaften des Lichts mit Hilfe von Lichtquanten erklären kann. Die lineare (Linearität ist die Eigenschaft einer mathematischen Beziehung oder Funktion, was bedeutet, dass sie grafisch als gerade Linie dargestellt werden kann) Ausbreitung von Licht im Raum, die Phänomene der Interferenz, Beugung (Beugung bezieht sich auf verschiedene Phänomene, die auftreten, wenn eine Welle auf ein Hindernis oder einen Spalt trifft) und Brechung (Brechung ist die Änderung der Richtung der Wellenausbreitung aufgrund einer Änderung ihres Übertragungsmediums) von Licht, die alle mit den für Wasser und damit mit der Wellentheorie bestimmten Eigenschaften übereinstimmen. Man kann natürlich davon ausgehen, dass auch die Lichtquanten all diese Eigenschaften besitzen. Aber es ist wahrscheinlicher, dass Licht weder aus Lichtquanten noch aus Wellen besteht.