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Gegenfeldmethode

Physik

Basiswissen


Plancksches Wirkungsquantum über den Photoeffekt: die Gegenfeldmethode hat große Bedeutung vor allem auch für Demonstrationsversuche zum äußeren Photoeffekt in Schule und Universität. Sie steht für verschiedene Versuchsanordnungen zur Vermessung des Photoeffekts.

Grundidee


Licht trifft auf die Kathode einer Photozelle und löst Elektronen aus dem Metall. Diese werden von der Anode aufgefangen. Mit der Gegenfeldmethode kann man die kinetische Energie der schnellsten Elektronen bestimmen.[3]

Versuchsaufbau


Aus dem Licht einer Quecksilberdampflampe wird durch einen Interferenzfilter oder einen Monochromator ein schmaler Wellenlängenbereich herausgefiltert und (gegebenenfalls durch eine Linse) auf die Kathode einer Vakuum-Photozelle gebündelt. Vakuum ist erforderlich, um die Oberfläche der Photokathode vor Oxidation zu schützen, vor allem jedoch, damit die mittlere freie Weglänge der ausgetretenen Elektronen ausreicht, um die gegenüberliegende, oft ringförmige Anode zu erreichen. Über eine Spannungsquelle kann eine Spannung zwischen diesen beiden Elektroden angelegt werden, und es kann der Strom mittels eines empfindlichen Amperemeters gemessen werden.

Wird nun die Kathode mit Licht ausreichend kurzer Wellenlänge bestrahlt, so werden dort Elektronen herausgeschlagen. Diese bewegen sich aufgrund ihrer kinetischen Energie auch zur Anode und können in diese eintreten. Die Photozelle wird also zur Stromquelle und der fließende Photostrom kann mit einem empfindlichen Amperemeter gemessen werden. Wird nun eine von 0 verschiedene Gegenspannung angelegt, so müssen die Elektronen, die die Anode erreichen und zu einem Photostrom führen, neben der Austrittsarbeit aus der Kathode auch das erzeugte elektrische Feld überwinden.

Die Rolle der Gegenspannung


Mit diesem Aufbau kann nun die Gegenspannung für verschiedene Frequenzen f des Lichts ermittelt werden, ab der jeweils kein Photostrom mehr fließt. Bei dieser Spannung ist die Potentialdifferenz, die die Elektronen (elektrische Ladung e) überwinden müssen, so groß wie die maximale kinetische Energie der Elektronen, die ihnen nach dem Austritt aus der Kathode[2] noch zur Verfügung steht. Ab dieser Gegenspannung können Elektronen die Anode also nicht mehr erreichen. Nimmt man an, dass die Energie des Lichts nur durch Energiequanten mit der Energie E = hf (mit dem Planckschen Wirkungsquantum h) an die Elektronen übertragen wird, so kann man aus der Steigung der gemessenen Geraden das Wirkungsquantum h bestimmen:

Erstelle die Gerade eU als Funktion der Frequenzen. Die Steigung dieser Geraden wäre Delta-Energie geteilt durch Delta-Frequenz. Von den Einheiten wäre das Energie pro Frequenz. Das ist genau die gesuchte Einheit des Planckschen Wirkungsquantums h. Die Steigung der Geraden gibt den Wert für h. Siehe auch Plancksches Wirkungsquantum [h] ↗

Fußnoten




Die Versuchsanordnung in der originalen Darstellung von Philipp Lenard (1862 bis 1947) aus dem Jahr 1902. In Lenards Veröffentlichung steht eine ausführliche Beschreibung zu diesem Bild. Philipp Lenard