Eine typische Messung zum Photoeffekt


Photozelle
Für genauere Messungen verwendet man eine Photozelle. Das ist eine luftleere Gläsröhre, deren Rückseite z.B. mit Cadmiusulfid beschichtet ist. Cadmiumsulfid gibt eine eventuell vorhandene negative Ladung leichter ab als etwa Zink. Im Vordergrund der Röhre befindet sich ein dünner Drahtring. Schicht und Ring haben elektrische Verbindungen nach außen. Zur Beleuchtung verwendet man entweder die einzelnen Spektrallinien einer Quecksilberlampe, die mit einem Gitter oder einem Prisma getrennt werden oder heute einfach farbige Leuchtdioden.

Bei Beleuchtung der Photozelle im sonst abgedunkelten Raum entsteht zwischen Schicht und Ring eine elektrische Spannung, wobei die hintere Schicht den positiven Pol (Anode) und der Ring den negativen Pol (Kathode) bildet. Die Spannungen liegen zwischen 0,1V und 1V. Aus der Elektrizitätslehre weiß man, dass Spannungen Energiemaße sind: Spannung ist Energie pro Ladung. Man kann die vertikale Achse also auch als Energieachse zeichnen. Warum das sinnvoll ist, wird durch die Deutung des Effektes klar. Ein typisches Messergebnis könnte in graphischer Darstellung so aussehen.

Die gemessene Spannung bzw. Energie W (s.u.) hängt nur von der Farbe des verwendeten Lichtes ab, nicht von seiner Intensität. Das ist bemerkenswert und muss erklärt werden. Die Intensität spielt nur dann eine Rolle, wenn man mit der Zelle einen Verbraucher betreiben will und dazu mehr Leistung braucht. Intensiveres Licht setzt mehr Elektronen frei und ermöglicht deshalb eine höhere Stromstärke. Jedes einzelne Elektron bekommt aber nicht mehr Energie, s. Deutung.
Die Messpunkte liegen nicht auf einer Ursprungsgeraden, so dass man zwar einen linearen Zusammenhang zwischen W und f hat aber keine Proportionalität: W = h ⋅ f – WA. Die Steigung der Geraden erweist sich als wichtige Naturkonstante, die heute Plancksches Wirkungsquantum heißt (Abkürzung h). Die Verschiebung entlang der W-Achse entsteht durch einen materialabhängigen Energieverlust der Elektronen, die Austrittsarbeit.

Im Rahmen der klassischen Physik war dieses Ergebnis nicht zu verstehen. Die Lichtintensität sollte unbedingt eine bedeutendere Rolle spielen. Dass in der Erklärung des Effektes der Anfang einer neuen Physik lag, war alles andere als offensichtlich. Wie ist er zu deuten?

Aufgabe 1: Bei einem Experiment hat man für vier verschiedene Wellenlängen folgende Spannungen gemessen: 408nm: 1,00V, 436nm: 0,81V, 544nm: 0,29V und 578nm: 0,13V. Stelle die Messung entsprechend der Abbildung graphisch dar und berechne das Wirkungsquantum sowie die Austrittsarbeit. Die Spannungen können nach der Definition der Spannung in Elektronenenergien umgerechnet werden. Die Energieeinheit eV (Elektronenvolt) ist dabei praktisch: Eine Spannung von 1,00V gibt einem Elektron die Energie 1eV. Das sind 1,6 ⋅10-19J.
Aufgabe 2: Eine Cäsiumphotozelle reagiert auf blaues Licht mit einer Wellenlänge von 410nm aber nicht auf rotes mit 656nm. Welche Abschätzung für die Austrittsarbeit von Cäsium ergibt sich daraus?