Walter Orlov

Obwohl nach allgemeiner Meinung die Anfänge der Quantentheorie mit Max Planck verbunden sind, gibt es eine andere Interpretation der Geschichte, etwa von Prof. Oettel: "Quantum theory not launched by Planck in 1900 but by Einstein in 1905." Es geht um eine neue Art universeller Teilchen – die Photonen, die gerade die Grundlage neuer Theorie bildeten. Gibt es sie aber wirklich?..

Wird die Metalloberfläche beleuchtet, können dadurch manche Elektronen das Metall verlassen. Die Erscheinung wird "Photoeffekt" genannt. Dafür muss aber die Frequenz der Strahlung hoch genug sein. Um experimentelle Befunde zu erklären, postulierte Einstein 1905 die Existenz der Lichtquanten – Photonen. Jedem einzelnen Photon entspricht die Energieeinheit E = hv; dabei sind h Planck-Konstante und v Frequenz des Lichtes. Dringt so ein Photon in das Metall ein, könnte es seine ganze Energie an ein Elektron übergeben. Berücksichtigt man noch die Austrittsarbeit W, ergibt sich dann die kinetische Energie des raus geschlagenen Elektrons: Ekin = hv - W. Und tatsächlich gibt es in dieser Hinsicht ganz gute Übereinstimmung mit dem Experiment. Für die Deutung des Photoeffektes bekam Einstein 1922 den Nobelpreis für Physik: "für seine Verdienste um die theoretische Physik, besonders für seine Entdeckung des Gesetzes des photoelektrischen Effekts".

Doch es gibt eine Nuance: In der Sättigung ist der Photostrom zwar von der Intensität des Lichtes abhängig, aber nicht von dessen Frequenz. Das steht im direkten Widerspruch mit Einsteins Lichtquanten-Hypothese. Bei gleicher Intensität der Strahlung I fällt die Photonenflussdichte mit wachsender Frequenz ab: n = I / hv. Entsprechend sollte dann die Zahl der raus geschlagenen Elektronen auch sinken (im Idealfall nelectron = nphoton). Größere kinetische Energie der Elektronen hat hier keine Bedeutung, denn der Photostrom ist definiert als i = n⋅e (e ist die Ladung eines Elektrons) und durch beschleunigte Spannung werden alle rausgeschlagene Elektronen unabhängig von deren kinetischen Energie und Streuung zur Anode geführt (dadurch erreicht der Photostrom eben die Sättigung). Den Zusammenhang habe ich mit folgender Animation veranschaulicht:

Deshalb ist es zu erwarten, dass die Kennlinien des Photostroms ungefähr so verlaufen würden:

Das ist aber nicht der Fall! – In der Realität darf der Photostrom für verschiedene Frequenzen ungefähr gleich und jedenfalls von der Frequenz des Lichtes nicht abhängig sein. Üblicherweise wird dieser Fakt nicht extra erwähnt, trotzdem sprechen die Kurven für sich:

 


Tutornext, Emission of Electrons

Merkwürdig ist die Tatsache, dass für falsche Deutung des Photoeffekts sehr angesehener Preis erteilt wurde. Die Division wird doch noch in der Grundschule unterrichtet, trotzdem konnte damals keiner im Nobelpreiskomitee einfache arithmetische Aufgabe – Intensität geteilt durch die Energie einzelnes Photons – bewältigen...

 

 

 

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