Plank'sche Wirkungsquantum

Ricky · Anmeldungsdatum: 16.01.2009 Beiträge: 1000

Hallo an Alle, Prost

Ich habe eine Frage und zwar, fangen wir nächste
Woche mit dem Gebiet der Quantenphysik an.
Dazu beginnen wir mit dem Plank'schen Wirkungsquantum.

Und nun hoffe ich, dass mit jemand helfen kann.

Erstens : Was ist dieses Plank'sche Wirkungsquantum ?

Zweitens : Gibt es zu diesem Plank'schen Wirkungsquantum irgendein Versuch (den man in der Schule vorzugsweise durchführt) ?

Ich habe bisher überall gelesen, dass es sich um eine Naturkonstante handelt...aber irgendwie kann ich damit garnichts anfangen...? Hilfe

Vielen dank an alle Prost

physiker08 · Anmeldungsdatum: 08.06.2008 Beiträge: 83

Hi!

Der Fotoeffekt bietet dir meiner Meinung nach eine recht anschauliche Erklärung:

Man kann Licht sowohl als Welle als auch als Teilchen interpretieren. Beim Fotoeffekt werden durch Licht Elektronen aus einer Metalloberfläche herausgelöst.

Angenommen man bestrahlt eine Metalloberfläche mit Licht und kann sehen wie sich die Elektronen lösen.
Dann stellt man fest das Licht einer Frequenz fA, egal wie hell es ist (d.h. egal wie ich die Intensität variiere) kein Elektron gedenkt, seine Atombindung zu verlassen. Damit das Elektron seine Bindung verlässt, muss man eine stoffspezifische Energie aufwenden.

Intuitiv ist man ja gewohnt: Je stärker man einen Ball tritt, desto schneller fliegt er auch (kinetische Energie größer).
Man würde einer steigenden Intensität intuitiv auch steigende Energie zuordnen, d.h. das Elektron müsste sich doch irgendwann lösen? grübelnd

Dem ist nur nicht so!

Wenn man nun die Metalloberfläche mit einer Frequenz fB bestrahlt, die größer als fA ist, stellt man auf einmal fest, dass sich Elektronen lösen.

Prost

Warum aber bei fA nicht? Scheinbar spielt die Intensität des Lichtes keine Rolle im Herauslösen eines Elektrons. Oder die Intensität stellt keine Energie bereit um den Austritt aus dem Atom zu ermöglichen.

Interessanterweise ändert sich mit der Intensität des Lichtes der Frequenz fB nur die Anzahl der herausgelösten Elektronen, nicht aber deren kinetische Energie. Das unterstützt die Annahme, dass die Intensität keinen Energiebeitrag hat.

Wenn man nun die Intensität des ausgestrahlten Lichtes gleich hält, aber dessen Frequenz weiter erhöht, stellt man fest, dass auf einmal die Elektronen schneller aus dem Metall heraushuschen, deren kinetische Energie also größer wird.

Man könnte also die Annahme treffen, dass die Energie die das Elektron nach Austritt hat proportional zur eingestrahlten Frequenz ist. Die Intensität sagt nur aus, wieviele Elektronen herausgeschlagen werden.

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Dieses Phänomen konnte man erst erklären, nach dem man Licht als Teilchen (Lichtquanten bzw. Photonen) aufgefasst hat.

Die Lichtintensität ist mit der Anzahl der ausgesannten Photonen oder Lichtquanten gleichzusetzen.

Ein Photon kann genau einem Elektron seine Energie übertragen. Die Energie die das Photon an das Elektron überträgt ist proportional zur Frequenz: W ~ f.
Da man nun nicht einfach W = f sagen kann (da Energie und Frequenz ja unterschiedliche Einheiten haben), hat man h eingeführt.

Sie ist eine Konstante, die sozusagen dann den richtigen Zusammenhang zwischen W und f herstellt --> W = hf.

Da die Energie ja nicht einfach so entstehen kann, wenn das Photon mit dem Elektron wechselwirkt, muss das Photon eben diese Energie W = hf haben, die es dann an das Elektron überträgt.

Ist diese zugeführte Energie größer als die erforderliche Austrittsenergie des Elektrons Wa in dem Metall, hat das Elektron eine kinetische Energie die der Differenz aus zugeführter Energie und nötiger Energie um das Elektron zu lösen entspricht: Wkin = hf - Wa.

Wa := Ist durch die Atombindung gegeben: Man braucht eine bestimmte stoffabhängige Energie, um das Elektron aus dem Atomverbund zu kicken.

Ich schicke gleich noch einen Versuchsaufbau, wie man diese Proportionalität zeigen kann und h bestimmen kann.

In der Hoffnung mich halbwegs verständlich ausgedrückt zu haben,

Matze

physiker08 · Anmeldungsdatum: 08.06.2008 Beiträge: 83

Hier bin ich nochmal.

Der Versuchsaufbau funktioniert wie folgt: Man variiert die Licht-Frequenz der LED, indem man immer eine andere LED nimmt.

Die Fotozelle ist eine Vorrichtung, die im Inneren eine Anode und eine Kathode besitzt. In diesem Versuch ist keine Spannung angelegt. Die Fotozelle fungiert selbst als Spannungsquelle.

Die Anode lädt sich negativ auf und die Kathode (Metalloberfläche) positiv, weil einige der herausgelösten Elektronen auf die Anode treffen.

Durch die Lichtquanten mit der Energie W = hf werden, sofern sie die Austrittsenergie überschreitet, Elektronen aus der Metalloberfläche gelöst, die Kathode lädt sich somit positiv (Elektronenmangel) und die Anode negativ (Die Elektronen wandern zur Anode und laden diese auf, Elektronenüberschuss)

Wenn man ein paar Minuten gewartet hat, hat sich in der Fotozelle eine konstant bleibende Gegenspannung Ugeg ausgebildet. Die Fotozelle ist nun eine Spannungsquelle.

Weitere gelöste Elektronen schaffen nun nicht mehr die Potentialbarriere zur Anode zu überwinden, da die Energie Wkin = hf - Wa nicht mehr ausreicht.

Diese Gegenspannung ist proportional zur Energie Wkin = hf - Wa und proportional zur Frequenz:

Wenn man sich die Messwerte aufträgt, erhält man die Gerade, wie im 2. Bild:

Um h zu bestimmen, macht man sich klar, das E = e mal U. Durch die Gegenspannung Ugeg kenne ich also genau die Energie der Elektronen.

Nun bilde ich das Steigungsdreieck h = E/f und schon kann man h bestimmen.

Ich hoffe das hat dich etwas weitergebracht

LG

Matze

Ricky · Anmeldungsdatum: 16.01.2009 Beiträge: 1000

Vielen lieben Dank für deine ausführliche Erklärung.
Das hat mir wirklich schonmal weitergeholfen Thumbs up!