Zielformel:
Gültigkeitsbereich / Annahmen:
- Einsteins Lichtquantenbild: Licht trifft in Portionen (Photonen, je
) ein; ein Elektron absorbiert ein Photon — alles oder nichts. ist die maximale kinetische Energie (Elektronen an der Metall-Oberfläche); Elektronen aus der Tiefe verlieren zusätzlich durch Stöße (vollständige Lehrbuchform ). - Elektronengeschwindigkeit nichtrelativistisch (im Beispiel
m/s , daher ist zulässig).
Verwendete Formeln
| Formel | Name | Formelnheft |
|---|---|---|
| Photonenenergie | ✅ S. 5 („ | |
| Wellengeschwindigkeit | ✅ S. 3 („Wellengeschwindigkeit") | |
| kinetische Energie | ✅ S. 2 („ | |
| Einstein-Gleichung (Energiebilanz) | ❌ nicht im Formelnheft — selbst hinschreiben (Energieerhaltung: erhalten = verbraucht + Rest) | |
| eV↔J-Umrechnung | ❌ steht so nicht im Heft — aus | |
| Konstanten | ✅ S. 1 (Konstanten) |
Herleitung (Schritt für Schritt)
- Energie eines einzelnen Photons aufschreiben (Planck/Einstein: Lichtenergie kommt in Portionen, jede Portion hängt nur von der Frequenz ab — S. 5):
- Energiebilanz aufstellen (Einstein-Gleichung) (Energieerhaltung: das Photon übergibt seine gesamte Energie auf einmal an ein Elektron; zuerst wird die materialabhängige Austrittsarbeit
bezahlt, um das Elektron aus dem Metall zu lösen, der Rest wird kinetische Energie. „Erhalten = verbraucht + Rest"): - Nach der kinetischen Energie auflösen (beidseitig
subtrahieren; nur für treten Elektronen aus — sonst Fall 1: egal wie hell, kein Elektron): einsetzen und nach auflösen (Energieformel von S. 2 für das austretende Elektron; beide Seiten mal , Wurzel ziehen. Ergebnis ist die Maximalgeschwindigkeit — Oberflächenelektronen): - Grenzfrequenz:
setzen (Grenzfall 2: das Photon reicht gerade für die Austrittsarbeit, das Elektron tritt mit aus. nach auflösen): - In die Grenzwellenlänge umrechnen (
von S. 3 nach auflösen, Schritt 5 einsetzen; Achtung: — Licht mit längerer Wellenlänge löst keine Elektronen aus): - Allgemeine Umrechnung Photonenenergie ↔ Wellenlänge (
in Schritt 1 einsetzen — die in der Spektroskopie üblichste Form):
Beispiel 1 ★: Grenzfrequenz und Grenzwellenlänge von Zink (mit Probe)
Zink:
Bereits im UV — das gesamte sichtbare Licht (ca. 1,6–3,1 eV) liegt unter 4,3 eV, deshalb wirkt bei der Zinkplatte nur UV (rotes Licht hilft auch bei beliebiger Helligkeit nicht).
Beispiel 2 ★: Geschwindigkeit der austretenden Elektronen (mit eV↔J Schritt für Schritt)
UV mit
Hz eV ; zurück in J: J (wie im Skript; — nichtrelativistische Näherung zulässig)
Beispiel 3 ★: Skript-Beispiel nachgerechnet (11,7 → 9,15 eV → ≈490 nm)
Ein Elektron fällt von
J Hz (exakt 486 nm; das Skript rundet mit auf 490 nm — blaugrünes sichtbares Licht, konsistent damit, dass 2,55 eV im sichtbaren Bereich liegt)
Variablentabelle
| Symbol | Bedeutung | SI-Einheit |
|---|---|---|
| Energie eines einzelnen Photons | J (üblich: eV) | |
| Frequenz des Lichts | Hz = 1/s | |
| Wellenlänge des Lichts | m | |
| Austrittsarbeit (Materialkonstante; Zink ≈ 4,3 eV, Skriptwert) | J (üblich: eV) | |
| (maximale) kinetische Energie des austretenden Elektrons | J (üblich: eV) | |
| Maximalgeschwindigkeit des austretenden Elektrons | m/s | |
| Grenzfrequenz (darunter kein Elektronenaustritt) | Hz | |
| Grenzwellenlänge (darüber kein Elektronenaustritt) | m | |
| Planck'sches Wirkungsquantum | J·s | |
| Elektronenmasse | kg | |
| Elementarladung | C | |
| Vakuumlichtgeschwindigkeit | m/s |
Verknüpfungen
- H11 — Messung von
; ohne keine eV↔J-Umrechnung. - Thema 9 §9.2 — Skript-Fassung: drei falsche Vorhersagen der klassischen Wellentheorie, Tabelle der drei Fälle, Zink-Beispiel und
-Nachfrage. - Thema 13 §13.2 — Hallwachs-Schulversuch (Elektroskop + Glasplatten-Kontrolle).
- Thema 9 §9.2 Emission und Absorption — Kontext von Beispiel 3 (diskrete Niveaus und Linienspektren).