Fotoeffekt - Gegenfeldmethode

In diesem Video beschäftigen wir uns mit dem Fotoeffekt und der sogenannten Gegenfeldmethode. Für den Versuch benötigen wir eine Lampe, vor der verschiedene Farbfilter angebracht werden können. Die Fotozelle besteht aus einer Ringelektrode und einer Metallplatte, die an eine Spannungsquelle angeschlossen sind. Außerdem benötigen wir ein Strommessgerät.
Im ersten Teil des Experiments wird die Lampe eingeschaltet, und der Filter lässt nur Licht einer bestimmten Wellenlänge (628 nm) bzw. Frequenz (ca. 4,77 × 10¹⁴ Hz) hindurch. Wenn Photonen auf die Elektronen der Metallplatte treffen, übertragen sie ihre Energie auf diese Elektronen, wodurch diese die Metallplatte verlassen. Da die Elektronen unterschiedliche Bewegungsenergien besitzen, bewegen sie sich mit verschiedenen Geschwindigkeiten. Einige von ihnen gelangen zur Ringelektrode, was diese negativ und die Metallplatte positiv lädt. Durch ein Stromkabel sind Ringelektrode und Metallplatte verbunden, und die überschüssigen Elektronen fließen durch ein Strommessgerät zurück zur Metallplatte, wodurch der Fotostrom messbar wird. Dieser Fotostrom zeigt an, ob Elektronen die Metallplatte verlassen und es bis zur Ringelektrode geschafft haben.
Um es den Elektronen zu erschweren, die Ringelektrode zu erreichen, kann man diese mithilfe der Spannungsquelle negativ laden, was eine abstoßende Kraft auf die negativ geladenen Elektronen ausübt. Im Experiment wird die Spannung erhöht, bis der Fotostrom auf Null fällt. Dies bedeutet, dass selbst die schnellsten Elektronen die Ringelektrode nicht mehr erreichen. Die schnellsten Elektronen besitzen genau vor der Ringelektrode eine maximale potentielle elektrische Energie und eine Geschwindigkeit von 0 m/s. Die elektrische Energie dieser Elektronen lässt sich berechnen, indem man die Elementarladung e mit der angelegten Spannung U multipliziert. Das Elektron wird nun von der negativ geladenen Ringelektrode abgestoßen und von der positiv geladenen Metallplatte angezogen. Dadurch wird hin zur Metallplatte beschleunigt und wird immer schneller. Vor der Metallplatte hat das Elektron seine gesamte potentielle elektrische Energie in kinetische Energie umgewandelt, was es ermöglicht, die maximale kinetische Energie mit der potentiellen elektrischen Energie gleichzusetzen.
Im nächsten Schritt wird der Filter vor der Lampe gewechselt, sodass nun Licht mit einer Wellenlänge von 405 nm und einer Frequenz von ca. 7,40 × 10¹⁴ Hz hindurchgelassen wird. Aufgrund der höheren Energie dieser Photonen schaffen es wieder einige Elektronen, trotz des angelegten elektrischen Gegenfeldes zur Ringelektrode zu gelangen, wodurch ein Fotostrom messbar wird. Nun wird die Spannung erneut erhöht, bis der Fotostrom auf Null fällt, was bedeutet, dass selbst die schnellsten Elektronen die Ringelektrode nicht mehr erreichen.
Trägt man die Werte der kinetischen Energie gegen die jeweiligen Frequenzen auf, erhält man ein Diagramm. Die Steigung der Ausgleichsgeraden entspricht dem Planckschen Wirkungsquantum h, einer materialunabhängigen Konstante. Der Schnittpunkt der Ausgleichsgeraden mit der X-Achse gibt die Grenzfrequenz fG an, die Frequenz, ab der bei dem verwendeten Material der Fotoeffekt eintritt. Der Schnittpunkt mit der Y-Achse zeigt die Austrittsarbeit an, also die Energie, die Elektronen mindestens benötigen, um die Metallplatte zu verlassen.