Hallwachs Experiment - Äußerer Fotoeffekt

In diesem Video geht es um den sogenannten Hallwachs-Versuch, auch bekannt als äußerer Fotoeffekt. Für den Versuch benötigt man eine Lampe, die sowohl sichtbares als auch ultraviolettes Licht aussendet, sowie eine blanke Metallplatte, die mit einem Elektroskop verbunden ist.
Zunächst wird die Lampe verdeckt, sodass kein Licht auf die Metallplatte gelangt. Das Elektroskop wird dann mithilfe eines Glasstabes, der an einem Wolltuch gerieben wurde, positiv aufgeladen. Entfernt man die Abdeckung und bestrahlt die Metallplatte mit dem Licht der Lampe, bleibt der Ausschlag des Elektroskops unverändert.
Im nächsten Schritt wird die Lampe erneut verdeckt und das Elektroskop diesmal mit einem an einem Wolltuch geriebenen PVC-Stab negativ aufgeladen. Trifft das Licht der Lampe nun auf die Metallplatte, geht der Ausschlag des Elektroskops zurück.
Im dritten Teil des Versuchs wird die Lampe zusätzlich mit einer Glasscheibe abgedeckt. Das Elektroskop wird wieder negativ aufgeladen und die lichtundurchlässige Abdeckung entfernt. Obwohl die Metallplatte nun bestrahlt wird, bleibt der Ausschlag des Elektroskops konstant. Erst wenn man die Glasscheibe entfernt, geht der Ausschlag des Elektroskops zurück.
Um diese Beobachtungen zu erklären, betrachten wir die Ladungsverhältnisse am Elektroskop. Die roten Kugeln symbolisieren Protonen und die blauen Elektronen. Berührt man die Metallplatte mit einem positiv geladenen Glasstab, fließen einige Elektronen auf den Stab über, wodurch das Elektroskop mehr Protonen als Elektronen enthält. Aufgrund der abstoßenden Kräfte gleichnamiger Ladungen schlägt der Zeiger des Elektroskops aus. Wird die Metalloberfläche mit sichtbarem und ultraviolettem Licht bestrahlt, passiert nichts, da die Energie des Lichts nicht ausreicht, um Protonen oder Elektronen aus der Metallfläche herauszulösen.
Schauen wir uns nun den dritten Versuchsteil genauer an. Berührt man die Metallplatte mit dem negativ geladenen PVC-Stab fließen einige Elektronen auf das Elektroskop und verteilen sich dort. Jetzt hat das Elektroskop mehr Elektronen als Protonen und ist negativ geladen. Da sich gleichnamige Ladungen abstoßen, schlägt der Zeiger aus.
Entfernt man die lichtundurchlässige Abdeckung bleibt der Ausschlag konstant. Die Glasscheibe lässt zwar den sichtbaren Anteil des Lichts durch, nicht aber das ultraviolette Licht. Das sichtbare Licht trifft auf die zusätzlichen Elektronen. Diese zusätzlichen Elektronen werden von der negativ aufgeladenen Metallplatte abgestoßen. Es ist folglich nun leichter, diese Elektronen aus dem Metall herauszulösen. Die Energie des sichtbaren Lichts reicht dafür jedoch nicht aus.
Erst wenn man die Glasscheibe entfernt trifft ultraviolettes Licht auf die Metalloberfläche und auf die zusätzlichen Elektronen. Die einzelnen ultravioletten Photonen übertragen ihre Energie auf diese Elektronen. Dadurch besitzen diese eine solch hohe Bewegungsenergie, dass sie die Oberfläche des Metalls verlassen können. Nach und nach fließen Elektronen aus dem unteren Teil des Elektroskops auf die Metallplatte nach und werden von den ultravioletten Photonen herausgelöst. Dadurch verschwindet der Ausschlag des Elektroskops.
Das Besondere an diesem Versuch ist, dass selbst extrem intensives sichtbares Licht nicht ausreicht, um Elektronen aus der Metalloberfläche herauszulösen, was dem Wellenmodell des Lichts widerspricht. In diesem Modell wäre die Intensität also die Amplitude entscheidend. Albert Einstein erkannte jedoch, dass Licht auch Teilcheneigenschaften besitzt. Um den Fotoeffekt zu erklären, muss man sich Licht als eine Vielzahl kleiner Teilchen, sogenannter Photonen, vorstellen. Die Energie dieser Photonen hängt von der Frequenz des Lichts ab. Ultraviolettes Licht hat eine höhere Frequenz und damit mehr Energie als sichtbares Licht. Es kommt also darauf an, ob ein einzelnes Photon genügend Energie besitzt, um ein Elektron herauszulösen, und nicht auf die Lichtintensität. Eine höhere Intensität des ultravioletten Lichts führt lediglich dazu, dass sich das Elektroskop schneller entlädt.