Photoelektrischer Effekt, Compton-Effekt & Atomspektren
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Der Photoelektrische Effekt: Grundlagen und Messungen
Der photoelektrische Effekt beschreibt, wie Elektronen von einer Kathode durch Beleuchtung ausgelöst werden und einen elektrischen Strom (I) erzeugen, wenn sie auf eine Anode treffen. Die Intensität dieses Stroms ist proportional zur Anzahl der herausgerissenen Elektronen. Die Anzahl der Elektronen, die die Anode erreichen, wird durch den Strom gemessen, der von einem Amperemeter angezeigt wird.
Die notwendige Arbeit (W), um Elektronen aus einem Metall zu lösen, hängt von deren Bindungsenergie im Metall ab. Die minimale Energie, die zum Herauslösen eines Elektrons benötigt wird, wird als Austrittsarbeit (Work Function, W₀) des Metalls bezeichnet. Diese ist gegeben durch die Formel: W₀ = hf₀, wobei h das Plancksche Wirkungsquantum und f₀ die Grenzfrequenz ist.
Ist die Anode positiv geladen, zieht sie Elektronen an. Ist sie negativ geladen, werden Elektronen abgestoßen, und nur jene mit einer ausreichend hohen kinetischen Energie können die abstoßende Kraft überwinden und die Anode erreichen.
Eigenschaften der Photonen und der Compton-Effekt
Obwohl das Millikan-Experiment die Hypothese von Albert Einstein bestätigte, wurde die Existenz von Photonen maßgeblich durch den Compton-Effekt bewiesen. Arthur Compton bestrahlte ein Graphitblatt mit Röntgenstrahlen der Wellenlänge λ und stellte fest, dass die gestreute Strahlung zwei Wellenlängen aufwies: eine, die der ursprünglichen Wellenlänge λ entsprach, und eine größere, λ'.
Nach der klassischen Theorie hätte die gestreute Welle dieselbe Wellenlänge wie die einfallende Welle haben müssen. Compton betrachtete elektromagnetische Strahlung jedoch als eine Reihe relativistischer Teilchen, sogenannter Photonen. Jedes Photon besitzt eine Ruhemasse von Null (m₀ = 0), eine Energie E = hf und einen Impuls p, der sich wie folgt berechnet: p = E/c = hf/c = h/λ.
Der Compton-Effekt bestätigte somit sowohl die Gültigkeit der relativistischen Mechanik als auch die Existenz von Photonen.
Atomspektren: Emission und Absorption
Im späten 19. Jahrhundert wurden zahlreiche Daten über das Licht gesammelt, das von Gasatomen emittiert wird, wenn diese durch einen elektrischen Schlag angeregt werden. Die spektroskopische Analyse dieser Strahlung zeigte das Auftreten einer diskreten Menge von Linien unterschiedlicher Wellenlängen.
Emissionsspektrum
Elemente emittieren Energie in Form elektromagnetischer Strahlung, jedoch nur bei bestimmten, diskreten Frequenzen. Jedes Element hat ein einzigartiges Emissionsspektrum.
Absorptionsspektrum
Elemente absorbieren bestimmte Frequenzen, wenn sie mit elektromagnetischer Strahlung beleuchtet werden. Ein Element absorbiert und emittiert dieselbe diskrete Menge von Frequenzen elektromagnetischer Strahlung. Dieses Spektrum, ob Absorption oder Emission, ist charakteristisch für jedes Element und dient als „Fingerabdruck“.
Die physikalische Untersuchung des Wasserstoffspektrums führte zur Entwicklung der Rydberg-Formel, die durch den folgenden Ausdruck bekannt ist:
1/λ = R_H (1/m² - 1/n²)
Dabei ist λ die Wellenlänge des emittierten oder absorbierten Lichts, R_H die Rydberg-Konstante, und m sowie n sind ganze Zahlen (m < n), die die Energieniveaus der Elektronen repräsentieren.