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Zielformel:

vmax=2(hfEA)me,Eγ=hf=hcλfGrenz=EAh,λGrenz=hcEA

Gültigkeitsbereich / Annahmen:

  • Einsteins Lichtquantenbild: Licht trifft in Portionen (Photonen, je Eγ=hf) ein; ein Elektron absorbiert ein Photon — alles oder nichts.
  • Ekin=hfEA ist die maximale kinetische Energie (Elektronen an der Metall-Oberfläche); Elektronen aus der Tiefe verlieren zusätzlich WS durch Stöße (vollständige Lehrbuchform hf=Ekin+WA+WS).
  • Elektronengeschwindigkeit nichtrelativistisch (im Beispiel v105 m/s c, daher ist 12mev2 zulässig).

Verwendete Formeln

FormelNameFormelnheft
E=hfPhotonenenergie✅ S. 5 („E=hf")
v=λf (mit v=c)Wellengeschwindigkeit✅ S. 3 („Wellengeschwindigkeit")
Ekin=mv22kinetische Energie✅ S. 2 („Ekin=mv22")
hf=EA+EkinEinstein-Gleichung (Energiebilanz)❌ nicht im Formelnheft — selbst hinschreiben (Energieerhaltung: erhalten = verbraucht + Rest)
1 eV=1,6021019 JeV↔J-Umrechnung❌ steht so nicht im Heft — aus W=UQ (S. 4) und e (S. 1) selbst herstellen: 1 eV=e1 V
h=6,6261034 Js; me=9,1091031 kg; e=1,6021019 C; c=2,9979108 m/sKonstanten✅ S. 1 (Konstanten)

Herleitung (Schritt für Schritt)

  1. Energie eines einzelnen Photons aufschreiben (Planck/Einstein: Lichtenergie kommt in Portionen, jede Portion hängt nur von der Frequenz ab — S. 5):Eγ=hf
  2. Energiebilanz aufstellen (Einstein-Gleichung) (Energieerhaltung: das Photon übergibt seine gesamte Energie auf einmal an ein Elektron; zuerst wird die materialabhängige Austrittsarbeit EA bezahlt, um das Elektron aus dem Metall zu lösen, der Rest wird kinetische Energie. „Erhalten = verbraucht + Rest"):hf=EA+Ekin
  3. Nach der kinetischen Energie auflösen (beidseitig EA subtrahieren; nur für hf>EA treten Elektronen aus — sonst Fall 1: egal wie hell, kein Elektron):Ekin=hfEA
  4. Ekin=12mev2 einsetzen und nach v auflösen (Energie­formel von S. 2 für das austretende Elektron; beide Seiten mal 2me, Wurzel ziehen. Ergebnis ist die Maximalgeschwindigkeit — Oberflächenelektronen):12mevmax2=hfEAvmax=2(hfEA)me
  5. Grenzfrequenz: Ekin=0 setzen (Grenzfall 2: das Photon reicht gerade für die Austrittsarbeit, das Elektron tritt mit v=0 aus. hfGrenz=EA nach f auflösen):fGrenz=EAh
  6. In die Grenzwellenlänge umrechnen (c=λf von S. 3 nach λ auflösen, Schritt 5 einsetzen; Achtung: f<fGrenzλ>λGrenz — Licht mit längerer Wellenlänge löst keine Elektronen aus):λGrenz=cfGrenz=hcEA
  7. Allgemeine Umrechnung Photonenenergie ↔ Wellenlänge (f=c/λ in Schritt 1 einsetzen — die in der Spektroskopie üblichste Form):Eγ=hf=hcλ

Beispiel 1 ★: Grenzfrequenz und Grenzwellenlänge von Zink (mit Probe)

Zink: EA4,3 eV. Zuerst die Einheit umrechnen (eV→J, mal e):

EA=4,31,6021019=6,891019 JfGrenz=EAh=6,8910196,62610341,041015 HzλGrenz=cfGrenz=2,99791081,0410152,9107 m290 nm 

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 λ=250 nm auf Zink:

  1. f=cλ=2,99791082,5107=1,201015 Hz
  2. hf=6,62610341,201015=7,951019 J=^7,9510191,60210195,0 eV
  3. Ekin=hfEA=5,04,3=0,7 eV; zurück in J: Ekin0,66 eV1,6021019=1,061019 J
  4. vmax=21,0610199,1091031=2,3310114,8105 ms  (wie im Skript; v/c0,16% — nichtrelativistische Näherung zulässig)

Beispiel 3 ★: Skript-Beispiel nachgerechnet (11,7 → 9,15 eV → ≈490 nm)

Ein Elektron fällt von E3=11,7 eV auf E1=9,15 eV zurück und emittiert ein Photon:

  1. ΔE=11,79,15=2,55 eV=2,551,6021019=4,091019 J
  2. f=ΔEh=4,0910196,62610346,21014 Hz
  3. λ=cf=2,99791086,1710144,9107 m490 nm  (exakt 486 nm; das Skript rundet mit c3108 auf 490 nm — blaugrünes sichtbares Licht, konsistent damit, dass 2,55 eV im sichtbaren Bereich liegt)

Variablentabelle

SymbolBedeutungSI-Einheit
EγEnergie eines einzelnen PhotonsJ (üblich: eV)
fFrequenz des LichtsHz = 1/s
λWellenlänge des Lichtsm
EAAustrittsarbeit (Materialkonstante; Zink ≈ 4,3 eV, Skriptwert)J (üblich: eV)
Ekin(maximale) kinetische Energie des austretenden ElektronsJ (üblich: eV)
vmaxMaximalgeschwindigkeit des austretenden Elektronsm/s
fGrenzGrenzfrequenz (darunter kein Elektronenaustritt)Hz
λGrenzGrenzwellenlänge (darüber kein Elektronenaustritt)m
hPlanck'sches Wirkungsquantum =6,6261034 Js (Formelnheft S. 1)J·s
meElektronenmasse =9,1091031 kg (Formelnheft S. 1)kg
eElementarladung =1,6021019 C (Formelnheft S. 1; Umrechnungsfaktor eV↔J)C
cVakuumlichtgeschwindigkeit =2,9979108 m/s (Formelnheft S. 1)m/s

Verknüpfungen

  • H11 — Messung von e; ohne e keine eV↔J-Umrechnung.
  • Thema 9 §9.2 — Skript-Fassung: drei falsche Vorhersagen der klassischen Wellentheorie, Tabelle der drei Fälle, Zink-Beispiel und WS-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).