Der Photoeffekt Ein Vortrag von Markus Kehr im Rahmen des

1. Der Photoeffekt Ein Vortrag von Markus Kehr im Rahmen des Hauptseminars „Schlüsselexperimente zur Quantenmechanik“ im WS 02/03

2. Überblick Der Photoeffekt 1/17 • 1. Einführende Gedanken • 2. Historische Meilensteine • 3. Lenards Experimente zum Photoeffekt • 4. Einsteinsche Lichtquantenhypothese • 5. Abschätzung der klassischen • Akkumulationszeit

3. Einführende Gedanken Der Photoeffekt 2/17 • Bedeutung des Lichts für die Menschheit • Photosynthese • Energievorräte = gespeicherte Sonnenenergie • Eigenschaften des Lichts

4. Historische Meilensteine Der Photoeffekt 3/17 • Konkurrierende Vorstellungen über das Licht: • Newton (1643-1727) vs. Huygen (1629-1695) • Newtons Lichtteilchen, dualistische • Auffassung vom Licht • Huygens Wellentheorie

5. Historische Meilensteine (2) Der Photoeffekt 4/17 • Interferenzversuch von Young (1773-1829) • Doppelspaltexperiment • Erklärungsproblem: Licht + Licht = Dunkel (?) • Erklärung nur mit Wellenbild möglich • Maxwell (1831-1879): Elektromagnetischer • Charakter des Lichts

6. Lenards Experimente Der Photoeffekt 5/17 Qualitative Demonstration des Photoeffekts:

7. Lenards Experimente (2) Der Photoeffekt 6/17 Quantitative Demonstration des Photoeffekts:

8. Lenards Experimente (3) Der Photoeffekt 7/17 Beobachtungen: Unterhalb einer gewissen Grenzfrequenz gibt es keinen Photostrom.

9. Lenards Experimente (4) Der Photoeffekt 8/17 Beobachtungen: Die Geschwindigkeitsverteilung der Elektronen hängt nicht von der Intensität des Lichts ab.

10. Lenards Experimente (5) Der Photoeffekt 9/17 Beobachtungen: Die Zahl der pro Zeiteinheit emittierten Elek- tronen ist proportional zur Intensität des Lichts.

11. Lichtquantenhypothese (1905) Der Photoeffekt 10/17 • Einstein geht - ähnlich wie Planck - von • thermodynamischen Betrachtungen aus • Man darf dem Licht, jedenfalls was die darin • steckende Energie angeht, keine kontinuier- • liche Erfüllung des Raumes zuordnen • Vielmehr liege eine „körnige“ Struktur vor

12. Lichtquantenhypothese (2) Der Photoeffekt 11/17 Erklärung des Photoeffekts:

13. Lichtquantenhypothese (3) Der Photoeffekt 12/17 • Fraunhofer, Bohr, Franck und Hertz: • Atome sind schwingungsfähige Gebilde mit • charakteristischen Eigenfrequenzen • Energie des abgelösten Elektrons:

14. Lichtquantenhypothese (4) Der Photoeffekt 13/17 Die dem Ionisierungsvorgang entsprechende Resonanzfrequenz des Atoms ergibt sich zu: Setzt man , so gelangt man zur Einstein-Gleichung

15. Akkumulationszeit Der Photoeffekt 14/17 Mindestwert der klassischen Akkumulationszeit: j = Photonenstromdichte F = Atomarer Querschnitt Beispiel: Sonnenlicht

16. Akkumulationszeit (2) Der Photoeffekt 15/17 Photoeffekt im menschlichen Auge: Reizschwelle menschliches Auge Dies entspricht Rechnet man mit so würde es über drei Jahre dauern, bis Photoelektronen nachweisbar wären. Daraus folgt, dass die klassische Vorstellung vom Licht hier versagt.

17. Zusammenfassung Der Photoeffekt 16/17 Der Photoeffekt ist also nur erklärbar, wenn wenn man dem Licht Teilchennatur zuschreibt. Andererseits lassen sich Erscheinungen wie beispielsweise Interferenz nur mit einer Wellenvorstellung vom Licht deuten. .

18. Literatur Der Photoeffekt 17/17 1. Harry Paul : Photonen 2. Haken-Wolf : Atom und Quantenphysik 3. Paul Tipler : Physik 4. Gerthsen : Physik