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Physik-LK · Skript PL5 · Quantenphysik

Photoeffekt: Wellenmodell gegen Photonen

Im Wellenmodell ist die Energie des Lichts gleichmäßig über die Wellenfront verteilt und wächst mit der Intensität. Im Photonenmodell kommt sie in Portionen E = h · f, und jede Portion geht an ein einziges Elektron. Beide Modelle machen klare Vorhersagen. Du prüfst, welche stimmen. Wie man h und EA genau misst, zeigt die Seite Photoeffekt: Gegenfeldmethode.

So gehst du vor

  1. 1Wähle ein Metall, stelle Frequenz f und Intensität S ein.
  2. 2Lies in den Karten, was die beiden Modelle erwarten. Überlege, welches recht hat.
  3. 3Tippe auf „Messen“. Verändere dann nur die Intensität und miss wieder, danach nur die Frequenz.
  4. 4Wenn genug Kreuze in den Diagrammen stehen: Zeichne die Erwartung der Modelle ein.

Was im Metall geschieht

So denkt das Wellenmodell

So denkt das Photonenmodell

Metall

Frequenz f

7,0 · 1014 Hz

Intensität S

50 mWm²

Wellenlänge 428 nm, sichtbar. In den Bildern ist alles stark verlangsamt, die Wartezeit im Wellenbild gerafft.

Erwartung und Messung bei dieser Einstellung

Werden Elektronen ausgelöst?
Wellenmodell: Ja, bei jeder Frequenz. Man muss nur lange genug warten.
Photonenmodell: Ja, denn h · f = 2,89 eV ist größer als EA = 1,95 eV.
Messung: noch nicht gemessen
Wann kommt das erste Elektron?
Wellenmodell: Erst nach etwa 3 min, so lange sammelt ein Atom die Energie EA.
Photonenmodell: Sofort, sobald ein Photon trifft.
Messung: noch nicht gemessen
Wie groß ist Ekin,max?
Wellenmodell: Sie wächst mit der Intensität, die Frequenz spielt keine Rolle. Eine Zahl liefert dieses einfache Bild nicht.
Photonenmodell: Ekin,max = h · f − EA = 0,94 eV, unabhängig von der Intensität.
Messung: noch nicht gemessen
Wie viele Elektronen kommen?
Wellenmodell: Mehr Intensität, mehr Elektronen.
Photonenmodell: Jedes Photon löst höchstens ein Elektron aus. Es treffen 1,1 · 1013 Photonen je Sekunde, doppelte Intensität gibt doppelt so viele.
Messung: noch nicht gemessen
Letzte Messung: E kin,max
–,–– eV
Letzte Messung: Strom
–,– nA

Messpunkte und Modelle

Erwartung einzeichnen

Ekin,max über der Intensität (bei f = 7,0 · 1014 Hz)

020406080100012345S in mW · m−2 Ekin,max in eV

Ekin,max über der Frequenz (bei S = 50 mWm²)

0246810121416012345f in 1014 HzEkin,max in eV

Strom über der Intensität (bei f = 7,0 · 1014 Hz)

020406080100010203040S in mW · m−2 I in nA

Jedes Diagramm zeigt nur die Messpunkte, die zur eingestellten Frequenz oder Intensität passen. Blau gestrichelt ist die Erwartung des Wellenmodells: Es sagt nur die Richtung voraus, die Höhe der Linie ist willkürlich. Orange gestrichelt ist die Vorhersage des Photonenmodells, sie ist ausgerechnet. EA = 1,95 eV, Grenzfrequenz fG = 4,72 · 1014 Hz.

Aufträge

  1. Caesium, f = 7 · 1014 Hz: Miss bei S = 20, 40, 60, 80 und 100. Was ändert sich, was nicht? Welches Modell stimmt?
  2. Caesium, S = 100: Miss bei f = 4 · 1014 Hz, dann in Schritten bis 12 · 1014 Hz. Wo beginnt der Strom? Vergleiche mit fG.
  3. Stelle S = 1 ein. Wie lange müsste ein Elektron im Wellenmodell bei Caesium warten? Was misst man? Um welchen Faktor irrt das Modell?
  4. Wähle Zink und sichtbares Licht. Was geschieht? Erkläre damit die Glasplatte im Hallwachs-Versuch.
  5. Warum sammelt ein Elektron nicht einfach die Energie von zwei Photonen, die kurz nacheinander ankommen?
  6. Worin stimmen beide Modelle überein? Warum gibt man das Wellenmodell trotzdem nicht ganz auf?

Theorie: Quanten-Skript, Abschnitte „Was das Wellenmodell erwarten lässt“ und „Einsteins Lichtquantenhypothese“.

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