Quantenphysik: Franck-Hertz-Versuch & Interferenz

Franck-Hertz-Versuch: Erklärung

Auf ihrem Weg zur Anode stoßen die Elektronen mit Quecksilberatomen zusammen. Bei niedriger Beschleunigungsspannung erfolgen diese Stöße elastisch. Die Elektronen geben dabei keine kinetische Energie an die Atome ab und sind deshalb in der Lage, das Gegenfeld vor der Anode zu überwinden.

Erreicht die kinetische Energie der Elektronen einen bestimmten Wert, kommt es zu unelastischen Stößen zwischen Elektronen und Atomen. Die Quecksilberatome nehmen dabei Energie von den Elektronen auf. Diese gelangen aufgrund ihrer geringeren Energie nicht mehr zur Anode. Die Stromstärke sinkt.

Wird die Beschleunigungsspannung weiter erhöht, vergrößert sich die Energie der Elektronen wieder, und der Strom steigt erneut an. Bei einer stetigen Steigerung der Spannung erreichen die Elektronen auch wieder diejenige Energie, bei der unelastische Stöße erfolgen. Auf diese Weise können die Elektronen auf ihrem Weg zur Anode gleich zwei- oder mehrmals ihre Energie an Quecksilberatome abgeben.

So erklärt sich das Auftreten mehrerer Maxima bzw. Minima in der Spannungs-Stromstärke-Kurve. Bei Quecksilber unterscheiden sich die Maxima jeweils um die Spannung 4,9 V. Geht man von diskreten Energieniveaus in der Hülle des Quecksilberatoms aus, dann zeigt dieser Versuch: Nur wenn die kinetische Energie eines Elektrons mindestens der Differenz zweier atomarer Energieniveaus entspricht, kann sie durch das Quecksilberatom aufgenommen werden.

Beugung und Interferenz von Licht

Beugung

Beugung ist die Ausbreitung des Lichts hinter schmalen Spalten, Kanten und kleinen Hindernissen, auch in die Schattenräume hinein.

Interferenz

Interferenz ist die Überlagerung von Licht mit Bereichen der Verstärkung und der Auslöschung bzw. Abschwächung.

Stabile Interferenzmuster entstehen nur bei Verwendung von kohärentem Licht.

• Konstruktive Interferenz (Verstärkung): Es ist ein Schwingungsbauch vorhanden (hell). Δs = k * λ (k = 0, 1, 2, ...)
• Destruktive Interferenz (Abschwächung bzw. Auslöschung): Es ist ein Schwingungsknoten vorhanden (dunkel). Δs = k * λ / 2 (k = 1, 3, 5, ...)

Interferenz am Doppelspalt

Bringt man einen Schirm an, so sind auf ihm helle und dunkle Streifen zu beobachten. Gegenüber der Mitte der Spalte liegt das helle Maximum 0. Ordnung. Symmetrisch dazu liegen die Maxima bzw. Minima 1., 2., ... Ordnung. Für kleine Winkel α gilt: tan α ≈ sin α.

Interferenz am Gitter

Bei einem Gitter hängt die Lage der Interferenzstreifen von der Gitterkonstante b und von der Wellenlänge λ ab. Zwischen den Maxima entstehen breite dunkle Streifen.

Interferenz am Einzelspalt

Jeder Punkt des Spaltes ist Ausgangspunkt einer Elementarwelle, die sich ihrerseits überlagern. Bei der Beugung an einem Spalt entstehen helle und dunkle Streifen.

Photoeffekt: Grundlagen

• Licht mit hoher Frequenz (kleiner Wellenlänge), z.B. UV-Licht, gibt seine Energie in größeren Portionen (Quanten) ab als Licht niedrigerer Frequenz (größerer Wellenlänge), z.B. sichtbares Licht.
• Ist die Energieportion des Lichtes größer als die Austrittsarbeit für ein Elektron, so ist die restliche Energie gleich der kinetischen Energie dieses herausgelösten Elektrons.
• Die Austrittsarbeit ist eine materialabhängige Stoffkonstante, hängt also vom verwendeten Stoff ab.