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 GLÜHELEKTRISCHER EFFEKT
1. Die Heizspannung sorgt für einen Stromfluss durch die Glühwendel, dieser erhitzt die
Glühwendel
2. Beim Glühelek

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Mia Schüler

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Glühelektrischer Effekt, Fotoeffekt, Doppelspalt, Elektronenbeugung, bewegte Ladungsträger im elektrischen Feld

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GLÜHELEKTRISCHER EFFEKT 1. Die Heizspannung sorgt für einen Stromfluss durch die Glühwendel, dieser erhitzt die Glühwendel 2. Beim Glühelektrischen Effekt muss beim Austritt von Elektronen aus der Heizwendel eine Kraft überwunden werden, die das Elektron bindet (Bindungsenergie) 3. Hierbei handelt es sich um die elektrostatische Anziehungskraft zwischen den negativ geladenen Elektronen und den positiv geladenen Kristallverband des Festkörpers 4. Wenn die Elektronen aus den Metalloberflächen herausgelöst werden sollen, muss Austrittsenergie auf die Elektronen übertragen werden 5. Die Austrittsenergie wird als elektrische Energie zugeführt und erhöht die thermische Energie bei Elektronen 6. Dadurch schwingen die Elektronen immer stärker und besitzen somit kinetische Energie 7. Ist die Kinetische Energie größer als die Bindungsenergie, lösen sich die Elektronen aus dem Metallgitter Glühwendel Heizspannung (0-6,3 V~) Heizspannung Glühwendel Wehneltzylinder Beschleunigungsspannung Anode Elektronenstrahl Evakuierter Glaskolben Wehneltzylinder Beschleunigungsspannung Ub (100-5000 V) Anode Elektronenstrahl evakuierter Glaskolben Sorgt für Stromfluss durch Glühwendel, bringt diese so zum Glühen Bei eingeschalteter Heizspannung lösen sich Elektronen → Elektronenwolke Bündelt den Elektronenstrahl, dazu meist etwas negativ aufgeladen Erzeugt ein Elektrisches Feld zwischen Glühkathode und Anode → beschleunigt Elektronen in Richtung Anode Feiner Strahl aus schnellen Elektronen → mit bloßem Auge nicht sichtbar Durch Beschleunigungsspannung positiv aufgeladen → zieht Elektronen an Glaskolben evakuiert (Vakuum), da Elektronen ansonsten mit den Atomen aus der Luft wechselwirken würden FOTOEFFEKT [Licht als Photonen] Der Photoeffekt beschreibt das Herauslösen von Elektronen aus einem Metall durch Photonen, also durch Bestrahlung mit Licht. Experiment 1 Glas-Stab wird durch Reibung positiv aufgeladen → auf dem Stab herrscht Elektronenmangel Stab nun...

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an die Zinkplatte gehalten Elektronen versuchen das Ladungsverhältnis auf dem Stab auszugleichen, indem sie auf ihn überspringen Auf der Platte herrscht ein Überschuss an positiver Ladung das Elektrometer schlägt aus Nun wird die Platte mit dem Licht einer Quecksilberdampflampe bestrahlt Es ist keine Ladungsveränderung zu beobachten → da sich keine Elektronen auf der Platte mehr befinden → daher auch keine herausgelöst werden können Experiment 2 PVC-Stab durch Reibung negativ aufgeladen → auf dem Stab herrscht Elektronenüberschuss Stab nun an die Zinkplatte gehalten Elektronen versuchen das Ladungsverhältnis auf dem Stab auszugleichen, indem sie auf die Platte überspringen Auf der Platte herrscht ein Elektronenüberschuss → Elektrometer schlägt aus Quecksilberdampflampe wird eingeschaltet → Beobachtung: Ausschlag des Elektrometers nimmt ab, weil die Elektronen aus der Platte herausgelöst werden → Ausschlag des Elektrometers geht kurz auf 0 zurück → die Platte ist neutral ➜ Allerdings werden durch die Lampe weitere Elektronen herausgelöst, sodass die Platte schließlich positiv geladen ist und das Elektrometer sofort wieder ausschlägt Experiment 3 gleicher Versuchsaufbau wie bei Experiment 2 → mit einer zusätzlichen Plexiglasscheibe Beobachtung: keine Elektronen werden herausgelöst → liegt daran, dass die Plexiglasscheibe das hochenergetische UV-Licht der Quecksilberdampflampe herausfiltert (lässt nur sichtbaren Anteil hindurch) Licht hat nicht genügend Energie die Elektronen aus dem Metall zu lösen UV-Lampe Glasplatte positiv negativ D negativ FOTOEFFEKT [Schlussfolgerungen] Aufbau Anode + Deutungen I. II. |||. IV. h Auswertung Erhöht man die Gegenspannung zwischen Kathode und Anode werden die Elektronen durch ein Gegenfeld bgebremst. Wenn dieses Feld so stark ist, dass kein Elektron mehr die Anode erreicht, ist die Stromstärke 0. Die elektrische Energie des Gegenfeldes ist dann gleich der kinetischen Energie der Elektronen Ekin = EFeld = U * v V. Licht Diagramm = Material, z.B. Kalium W kin in eV Gegenspannung W -Kathode - Die kinetische Energie der austretenden Elektronen hängt nicht von der Bestrahlungsstärke ab, sondern von der Frequenz des Lichtes (Wellenlänge) A Photostrom Die kinetische Energie der Elektronen steigt ab einer bestimmten Minimalfrequenz linear zur Frequenz des Lichts an Grenzfrequenz (Minimalfrequenz = Maximalwellenlänge) hängt von Material ab fo Freisetzung der Elektronen beginnt sofort mit dem Einfall des Lichtes und endet genauso schnell nach dem Ende der Bestrahlung Je größer die Lichtfrequenz des Lichts ist, desto größer ist die Energie eines Photons. JAWA Af E Naturkonstante → E~f ⇒ = Durchführung Die Lampe (Lichtquelle) wird auf die Kathode gerichtet, nun wird der Photostrom am Amperemeter gemessen Beobachtung Amperemeter zeigt Photostrom an. Beim Erhöhen der Gegenspannung fließt ab einem bestimmten Wert (der von der Frequenz des Lichtes abhängt) kein Photostrom AW kin AW kin Planck'sches Wirkungsquantum: Af f in 10¹4 Hz min konst. E=h* f m fo= Grenzfrequenz: das Licht muss mindestens diese Frequenz besitzen, damit Elektronen herausgelöst werden können W = Austrittsarbeit: Energie, die notwendig ist, um ein Elektron aus der Metallelektrode herauszuschlagen (Materialabhängig) Wie überwindet man die Austrittsarbeit und damit die Bindung des Elektrons an die Elektrode? (1) Photonenenergie ist kleiner als die Austrittsarbeit: W₁ < W Photon kann kein Elektron herauslösen (2) Photonenenergie ist größer als die Austrittsarbeit: W₁≤ W Photon schlägt Elektron heraus Photostrom beeinflussen Ein elektrischer Strom, der durch herausgeschlagene Elektronen verursacht wird, heißt Photostrom Ip (1) Lichtintensität verändern: Intensität des einfallenden Lichtes regulieren, somit die Anzahl der Photonen variieren → Verdopplung der Lichtintensität und damit die Verdopplung der Photonenanzahl, ergibt einen doppelt so großen Photostrom (2) Spannung verändern: größere Gegenspannung, bremsen Elektronen ab → Photostrom sinkt größere Beschleunigungsspannung (Anode stärker positiv geladen), beschleunigen Elektronen zur Anode → Photostrom steigt PHOTOEFFEKT [Widerspruch zur Wellentheorie] Widerspruch 1 Beim Photoeffekt tritt eine Grenzfrequenz auf → Photonen mit kleinerer Frequenz können keine Elektronen herausschlagen Nach Wellentheorie: müssten Elektronen bei jeder Lichtfrequenz herausgelöst werden Widerspruch 2 Bestrahlungsdauer spielt keine Rolle → Elektronen werden ohne Zeitverzögerung herausgeschlagen (Photoeffekt tritt entweder sofort ein oder gar nicht) Nach Wellentheorie: Metallplatte mit beliebiger Frequenz einfach länger bestrahlen, um der Kathode mehr Energie zuzuführen → Photoeffekt würde zeitverzögernd eintreten Widerspruch 3 Je größer die Lichtfrequenz desto größer die kinetische Energie der Elektronen Nach Wellentheorie: müsste die kinetische Energie der Elektronen mit steigender Lichtfrequenz abnehmen da gilt: Wkin ~ 1/f² Widerspruch 4 Beim Photoeffekt ist die kinetische Energie der herausgelösten Elektronen unabhängig von der benutzten Lichtintensität LICHT [Wellenmodell - Teilchenmodell] Wellenmodell Transversale Ausbreitung Brechung, Interferenz, Beugung, Reflexion, Absorption Energie hängt von Frequenz ab Intensität → Amplitude Verwendung des Wellenmodells Interferenzmuster bei Elektronenbeugungsröhre Schirmbild beim Doppelspaltversuch Lichtbrechung nach HUYGENS Regenbogen DOPPELSPALTVERSUCH [Licht als Welle] Aufbau Elektron Elektronen- kanone Doppel- spalt Glühelektrischer Effekt Teilchenmodell Longitudinale Ausbreitung Teilchen transportieren Licht jeder Farbe ist eine andere Teilchengröße zugeordnet Energie eines Teilchens Intensität → Anzahl der Teilchen Verwendung des Teilchenmodells Beobachtungs- schirm Interferenz- muster Beobachtung Es entsteht ein nach außen hin abschwächendes Interferenzmuster. Ein symmetrisches Muster aus sich abwechselnden hellen und dunklen Streifen ist zuerkennen. Die dunklen Streifen sind dabei viel schmaler als die Hellen. Nach Vorstellungen der klassischen Physik wären zwei klare Streifen zu erwarten. Photoeffekt Ablenkung der Elektronen in einem Magnetfeld Durchführung Laser wird durch Platte mit zwei Spalten auf einen Schirm gerichtet Auswertung Das Interferenzmuster entsteht durch Beugung der Wellenausbreitung am Doppelspalt. Das Experiment führte zur Anerkennung der Wellentheorie. Das Experiment wurde nicht nur mit Licht, sondern auch mit Elementarteilchen, Atomen und Molekülen durchgeführt. Hierbei zeigt sich auch

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II. |||. IV. h Auswertung Erhöht man die Gegenspannung zwischen Kathode und Anode werden die Elektronen durch ein Gegenfeld bgebremst. Wenn dieses Feld so stark ist, dass kein Elektron mehr die Anode erreicht, ist die Stromstärke 0. Die elektrische Energie des Gegenfeldes ist dann gleich der kinetischen Energie der Elektronen Ekin = EFeld = U * v V. Licht Diagramm = Material, z.B. Kalium W kin in eV Gegenspannung W -Kathode - Die kinetische Energie der austretenden Elektronen hängt nicht von der Bestrahlungsstärke ab, sondern von der Frequenz des Lichtes (Wellenlänge) A Photostrom Die kinetische Energie der Elektronen steigt ab einer bestimmten Minimalfrequenz linear zur Frequenz des Lichts an Grenzfrequenz (Minimalfrequenz = Maximalwellenlänge) hängt von Material ab fo Freisetzung der Elektronen beginnt sofort mit dem Einfall des Lichtes und endet genauso schnell nach dem Ende der Bestrahlung Je größer die Lichtfrequenz des Lichts ist, desto größer ist die Energie eines Photons. JAWA Af E Naturkonstante → E~f ⇒ = Durchführung Die Lampe (Lichtquelle) wird auf die Kathode gerichtet, nun wird der Photostrom am Amperemeter gemessen Beobachtung Amperemeter zeigt Photostrom an. Beim Erhöhen der Gegenspannung fließt ab einem bestimmten Wert (der von der Frequenz des Lichtes abhängt) kein Photostrom AW kin AW kin Planck'sches Wirkungsquantum: Af f in 10¹4 Hz min konst. E=h* f m fo= Grenzfrequenz: das Licht muss mindestens diese Frequenz besitzen, damit Elektronen herausgelöst werden können W = Austrittsarbeit: Energie, die notwendig ist, um ein Elektron aus der Metallelektrode herauszuschlagen (Materialabhängig) Wie überwindet man die Austrittsarbeit und damit die Bindung des Elektrons an die Elektrode? 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Ein symmetrisches Muster aus sich abwechselnden hellen und dunklen Streifen ist zuerkennen. Die dunklen Streifen sind dabei viel schmaler als die Hellen. Nach Vorstellungen der klassischen Physik wären zwei klare Streifen zu erwarten. Photoeffekt Ablenkung der Elektronen in einem Magnetfeld Durchführung Laser wird durch Platte mit zwei Spalten auf einen Schirm gerichtet Auswertung Das Interferenzmuster entsteht durch Beugung der Wellenausbreitung am Doppelspalt. Das Experiment führte zur Anerkennung der Wellentheorie. Das Experiment wurde nicht nur mit Licht, sondern auch mit Elementarteilchen, Atomen und Molekülen durchgeführt. Hierbei zeigt sich auch