Experimentelle Untersuchung des Photoeffekts am Beispiel Kupfer
Um die theoretischen Grundlagen des Photoeffekts praktisch zu verifizieren und die spezifischen Eigenschaften eines Metalls zu bestimmen, werden detaillierte Experimente durchgeführt. Ein solches Experiment mit Kupfer als Beispielmaterial liefert wertvolle Erkenntnisse über die Austrittsenergie bei verschiedenen Metallen sowie die Grenzfrequenz und Grenzwellenlänge im Photoeffekt.
Der Versuchsaufbau beinhaltet eine Lichtquelle variabler Wellenlänge, die auf eine Kupferoberfläche gerichtet ist. Durch Messung der Gegenspannung, bei der kein Photostrom mehr fließt, kann die maximale kinetische Energie der ausgelösten Elektronen bestimmt werden.
Example: Eine Tabelle mit Messwerten für Kupfer könnte wie folgt aussehen:
| > λ (nm) | U (V) | f (10^14 1/s) | Ekin,max (eV) |
|---|
| > 235 | 0,8 | 12,76 | 0,8 |
| > 200 | 1,7 | 14,99 | 1,7 |
| > 175 | 2,6 | 17,13 | 2,6 |
| > 150 | 3,8 | 19,99 | 3,8 |
| > 125 | 5,4 | 23,98 | 5,4 |
Aus diesen Daten lässt sich ein Graph erstellen, der die Beziehung zwischen der Frequenz des einfallenden Lichts und der maximalen kinetischen Energie der Elektronen darstellt. Dieser Graph folgt der Gleichung Ekin,max = h * f - EA.
Highlight: Die Auswertung des Graphen liefert wichtige Informationen:
- Der Schnittpunkt mit der y-Achse entspricht der negativen Austrittsenergie −EA.
- Der Schnittpunkt mit der x-Achse gibt die Grenzfrequenz fo an.
- Die Steigung der Geraden entspricht dem Planckschen Wirkungsquantum h.
Für Kupfer ergeben sich aus diesem Experiment folgende Werte:
- Austrittsenergie EA: ca. 4,5 eV
- Grenzfrequenz fo: ca. 10,88 * 10^14 1/s
- Grenzwellenlänge λo: ca. 276 nm
Die Grenzwellenlänge wird dabei aus der Grenzfrequenz berechnet: λo = c / fo
Quote: "Die Intensität des Lichts ist beim Photoeffekt unwichtig, da die Energie der Photonen gleich bleibt."
Diese experimentelle Methode ermöglicht es, die fundamentalen Eigenschaften des Photoeffekts für verschiedene Materialien präzise zu bestimmen und die theoretischen Vorhersagen der Quantenphysik zu überprüfen. Die gewonnenen Erkenntnisse sind von großer Bedeutung für die Entwicklung und Optimierung photoelektrischer Anwendungen in der modernen Technologie.
