Austrittsarbeit
Physik
Definition
Als Austrittsarbeit W bezeichnet man die Menge an physikalischer Arbeit oder Energie, die mindestens nötig ist, um ein Elektron aus einem elektrisch neutralen Festkörper herauszulösen, meist aus einer Metallplatte, die man dann Kathode nennt. Die Austrittsarbeit ist eine Form der Bindungsenergie. Die Werte für die Austrittsarbeit, meist in Elektronenvolt (eV) angegeben, hängen dabei von der verwendeten Metallart ab. Das ist hier kurz vorgestellt.
Die Austrittsarbeit nach Albert Einstein
Versuche, die zur Idee der Austrittsarbeit von Elektronen aus Metalloberflächen führten wurden gegen Ende des 19ten Jahrhunderts unter anderem von Hallwachs[1] und Philipp Lenard[2] durchgeführt: eine Metalloberfläche wurde mit Lichtteilchen bestrahlt. Die Lichtteilchen nannte man später Quanten. Jen nach verwendter Art des Lichts (die Frequenz war wichtig), wurden Elektronen aus dem Metall ausgeslöst oder nicht. Dazu schrieb Albert Einstein im Jahr 1905:
ZITAT:
"In die oberflächliche Schicht des Körpers dringen Energiequanten ein, und deren Energie verwandelt sich wenigstens zum Teil in kinetische Energie von Elektronen. Die einfachste Vorstellung ist die, daß ein Lichtquant seine ganze Energie an ein einziges Elektron abgibt; wir wollen annehmen, daß dies vorkomme. Es soll jedoch nicht ausgeschlossen sein, daß Elektronen die Energie von Lichtquanten nur teilweise aufnehmen. Ein im Innern des Körpers mit mit kinetischer Energie versehenes Elektron wird, wenn es die Oberfläche erreicht hat, einen Teil seiner kinetischen Energie eingebüßt haben. Außerdem wird anzunehmen sein, daß jedes Elektron beim Verlassen des Körpers eine (für den Körper charakteristische) Arbeit P zu leisten hat, wenn es den Körper verlässt. Mit der größten Normalgeschwindigkeit werden die unmittelbar an der Oberfläche normal zu dieser erregten Elektronen den Körper verlassen"[1]
"In die oberflächliche Schicht des Körpers dringen Energiequanten ein, und deren Energie verwandelt sich wenigstens zum Teil in kinetische Energie von Elektronen. Die einfachste Vorstellung ist die, daß ein Lichtquant seine ganze Energie an ein einziges Elektron abgibt; wir wollen annehmen, daß dies vorkomme. Es soll jedoch nicht ausgeschlossen sein, daß Elektronen die Energie von Lichtquanten nur teilweise aufnehmen. Ein im Innern des Körpers mit mit kinetischer Energie versehenes Elektron wird, wenn es die Oberfläche erreicht hat, einen Teil seiner kinetischen Energie eingebüßt haben. Außerdem wird anzunehmen sein, daß jedes Elektron beim Verlassen des Körpers eine (für den Körper charakteristische) Arbeit P zu leisten hat, wenn es den Körper verlässt. Mit der größten Normalgeschwindigkeit werden die unmittelbar an der Oberfläche normal zu dieser erregten Elektronen den Körper verlassen"[1]
Das Zitat stammt aus jener Veröffentlichtung, für die Albert Einstein sehr viel später den Nobelpreis für Physik bekommen hat.
Austrittsarbeiten (aufsteigend)
- 1,58 bis 1,62 Branntkalk [CaO] ↗
- 1,7 bis 2,14 eV Cäsium [Cs] ↗
- 1,8 bis 2,52 eV Barium [Ba] ↗
- 2,13 eV Rubidium [Rb] ↗
- 2,2 eV Lithium [Li] ↗
- 2,25 eV Kalium [K] ↗
- 2,28 eV Natrium [Na] ↗
- 3.63 bis 3.90 eV Uran [U] ↗
- 3,8 eV Pyrit [FeS2] ↗
- 3,85 eV FeO ↗
- 4,0 bis 4,2 eV Aluminium [Al] ↗
- 4,05 bis 4,6 eV Silber [Ag] ↗
- 4,16 bis 4,2 eV Molybdän [Mo] ↗
- 4,19 eV Tantal [Ta] ↗
- 4,25 eV Blei [Pb] ↗
- 4,30 bis 4,5 eV Kupfer [Cu] ↗
- 4,34 eV Zink [Zn] ↗
- 4,33 eV Titan [Ti] ↗
- 4,49 eV Quecksilber [Hg] ↗
- 4,50 bis 4,81 eV Eisen [Fe] ↗
- 4,54 bis 4,6 eV Wolfram [W] ↗
- 4,8 bis 5,4 eV Gold [Au] ↗
- 4,85 eV Silicium [Si] ↗
- 5,0 eV Cobalt [Co] ↗
- 5,04 bis 5,15 eV Nickel [Ni] ↗
- 5,0 eV Quarz [SiO₂] ↗
- 5,32 bis 5,66 eV Platin [Pt] ↗
Das Elektronenvolt
In der Atomphysik weit verbreitet ist das sogenannte Elektronenvolt als Einheit der Energie. Ein Elektronenvolt ist so viel Energie wie 1,6021766208 mal 10 hoch -19 Joule oder ausgeschrieben als eine Dezimalzahl 0,00000000000000000016021766208 Joule. Um von einer Angabe in eV zu einer Angabe in J zu kommen, rechnet man also die Zahl in eV mal 1,6021766208 mal 10 hoch -19. Lies mehr unter Elektronenvolt ↗
Austrittsarbeiten in Experimenten
Die Austrittsarbeit spielt bei vielen Experimenten und Effekten eine Rolle, bei der Elektronen aus einem Metall herausgelöst werden und sich anschließend außerhalb des Metalls befinden. Typische Beispiele sind die Eletronenkanone, Glühkathode und der Franck-Hertz-Versuch oder der photoelektrische Effekt. Siehe exemplarisch unter Edison-Richardson-Effekt ↗
Fußnoten
- [1] Dass Licht überhaupt Elektronen aus Metall auslöst zeigte der sogenannte Hallwachs-Versuch ↗
- [2] Der Beitrag von Philipp Lenard bestand unter anderem in der Idee der Gegenfeldmethode ↗
- [3] Albert Einstein beschreibt die Austrittsarbeit im Zusammenhang mit der Photoemission. Für die entsprechende Veröffentlichung aus dem Jahr 1905 erhielt er später den Nobelpreis: "In die oberflächliche Schicht des Körpers dringen Energiequanten ein, und deren Energie verwandelt sich wenigstens zum Teil in kinetische Energie von Elektronen. Die einfachste Vorstellung ist die, daß ein Lichtquant seine ganze Energie an ein einziges Elektron abgibt; wir wollen annehmen, daß dies vorkomme. Es soll jedoch nicht ausgeschlossen sein, daß Elektronen die Energie von Lichtquanten nur teilweise aufnehmen. Ein im Innern des Körpers mit mit kinetischer Energie versehenes Elektron wird, wenn es die Oberfläche erreicht hat, einen Teil seiner kinetischen Energie eingebüßt haben. Außerdem wird anzunehmen sein, daß jedes Elektron beim Verlassen des Körpers eine (für den Körper charakteristische) Arbeit P zu leisten hat, wenn es den Körper verlässt. Mit der größten Normalgeschwindigkeit werden die unmittelbar an der Oberfläche normal zu dieser erregten Elektronen den Körper verlassen" In: Albert Einstein: Über einen die Erzeugung und Verwandlung des Lichtes betreffenden heuristischen Gesichtspunkt. In: Annalen der Physik. Band 322, Nr. 6, 1905, S. 132–148, doi:10.1002/andp.19053220607. Dort die Seite 13r3. Siehe auch Photoemission ↗