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Spektrum des Schwarzen Körpers:

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Academic year: 2021

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1

Max Planck 1858-1947

Spektrum des Schwarzen Körpers:

Herleitung nach Planck und Einstein

Albert Einstein 1879-1955

Spektrale Energiedichte im Frequenzintervall u bis u+du

= Spektrale Modendichte · mittlere Energie pro Mode

 

  u u u u

u

 u u

 u u

d T c k

d T w T

k W

d c W

d W d

T w

2 3

2 3

, 8 , 8

Rayleigh-Jeans-Gesetz (steigt mit n2 und führt somit zur "Ultraviolett-Katastrophe").

Planck

Ausweg: Energie einer Mode ist ganzahliges Vielfaches von Energiequanten, die proportional zur jeweiligen Frequenz sind (Proportionalitätsfaktor h ist das sog. Plancksche Wirkungsquantum):

u

nh  u W

Aber: Die Wahrscheinlichkeit soll mit der Energie (d.h. mit der Zahl der Quanten n) exponentiell abnehmen. Die mittlere Energie pro Mode ist dann

 

/exp1 /1

exp

/ exp

0 0

0

     

 

   

h h k T

T k h n

T k h h n

n p

h n W

n n

n

u u

u u u

u

Der Zähler ist ein Boltzmann-Faktor wie in der kinetischen Gastheorie, der Nenner dient der

Normierung (Summe aller Wahrscheinlichkeiten ist 1). Herleitung des letzten Schritts s. nächste Seite.

Aus der kinetischen Gastheorie entlehnte Annahme:

n: ganze Zahl

(2)

 

 

 

     

 

    für exp   1

1 mit 1

1 exp

exp 1

exp

exp exp 1

1

1 exp

exp exp

exp

1 und

Setze

0 0

0

0 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

   

 

 

 

 

 

 

 u

q q q

n n n

n n

T h k

n n n

n

n n

Damit

  u

u u u 

u d

kT h

h d c

T

w

 

 exp( / ) 1

, 8

3

3 Plancksche Strahlungsformel

  u u     u u

u

d n T w n

d n T w

h kT E

E n

n

E E

E

 

 

 

, ,

exp

0 0

mit

Verhältnis von angeregten zu nicht angeregten Atomen

Absorptionen pro Zeit und Volumen = spontane Emissionen + stimulierte* Emissionen

  exp( / ) 1

1 )

/ exp(

1

) / exp(

/ 1

, /

0 0

0

 

 

 

 

h kT h kT

kT h

n n

n n n

n d n

T w

E E E

E

u

 u

u

 u  u

* stimulierte Emission wurde hier ad hoc eingeführt, erweist

Einstein

u u

 u

d h

c  

 8

3 2

führt wieder zur Planckschen Strahlungsformel

geometrische Reihe

Planck (Fortsetzung)

(3)

3

2.2 Der photoelektrische Effekt

Durch die Bestrahlung mit Licht (insbesondere UV) werden aus einer Metallplatte Elektronen herausgelöst. Quantitative Untersuchungen wurden von P. Lenard um 1900 durchgeführt. Davor gab es einige Hinweise z.B.:

 Becquerel-Effekt (Alexande Becquerel 1839): Zwischen gleichartigen Elektroden in einem Elektrolyten entsteht eine Spannung, wenn sie belichtet werden.

 Hallwachs-Effekt (Wilhelm Hallwachs und Heinrich Hertz um 1886):

Ein Elektrometer zeigt einen Ausschlag, wenn es belichtet wird. Phillip Lenard (1862 – 1947)

W

a

h U e

E

max

  

0

  u 

Die max. kinetische Energie der emittierten Elektronen wird durch die Gegenspannung U0 bestimmt, bei der ein Stromfluss einsetzt.

Sie ist gleich der Photonenenergie h·u minus der Austrittsarbeit Wa und unabhängig von der Lichtintensität.

Teilchencharakter von Licht

Eine Lichtwelle würde ihre Energie gleichmäßig auf alle Atome verteilen. Die Elektronenemission würde mit großer Verzögerung einsetzen (Stunden!) und die kinetische Energie würde von der Lichtintensität abhängen. Trotzdem ist die Wellenvorstellung sehr erfolgreich (Beugung).

Welle-Teilchen-Dualismus

Licht hat sowohl Wellen- als auch Teilchencharakter, abhängig von der experimentellen Situation.

(4)

Experiment zum Photoeffekt

Objektiv f = 120

Linse f = 100

Linse f = 70 Linse

f = 150

Objektiv f = 250 Spektrallampe

Hg 10 Spalt 1 Geradsichtprisma Spalt 2 Vakuumfotozelle Linienspektrum

Eine Quecksilberdampflampe emittiert u.a. gelbes, grünes und blaues Licht, das auf eine Fotozelle gelenkt wird:

Die Kalium-Beschichtung (Austrittsarbeit 2,25 eV) des Glaskolbens dient als Photokathode, ein ringförmiger Draht als Anode. Gemessen wird eine Photostrom, der bei einer bestimmten Gegenspannung verschwindet. Diese

Spannung entspricht der kinetischen Energie der Photoelektronen in eV. Messung:

Farbe Frequenz (Hz)

Photonenergie (eV)

Spannung (V)

gelb 5,19∙1014 2,15 0,36

grün 5,49∙1014 2,27 0,48

blau 6,88∙1014 2,85 0,93

Die Steigung der Ausgleichsgeraden ergibt h = 3,33∙10-15 eV∙s (Literaturwert 4,14 ∙10-15 eV∙s), der Punkt bei Frequenz 0 entspricht der AustrittsarbeitWa = 1,36 eV (Literaturwert 2,25 eV).

Nachweis einzelner Photonen

Richtleuchte mit Kondensor

Irisblende

Lichtleiter

Schirm Photomultiplier

= 1 k K1

Pappröhre

Mit einem Oszillografen werden Signale einzelner Photonen sichtbar, wenn die Lichtquelle abgeschwächt wird. Als Detektor dient ein sog. Photomultiplier (typ. Pulsdauer einige 10 ns).

(5)

5

Das Plancksche Wirkungsquantum

 

s eV 10

582 , 6 s J 10 055 , 2 1

2

s eV 10

136 , C 4

10 602 , 1

s J 10 626 , 6

s J 10 29 0,000.000.

57 . 069 . 626 , 6

16 34

15 19

34

34

 

 

  u

h h h E

e h

h

(SI-Einheiten)

("natürliche" Einheiten)

Energie eines Photons (eines Lichtquants) (sprich: "h quer")

Bestimmung

Historisch

- Anpassung der Strahlungsformel an das Spektrum eines schwarzen Körpers

- Steigung der Auftragung der kinetischen Energie von Photoelektronen als Funktion der Frequenz Zurzeit genaueste Messung

- Watt-Waage:

gespannter Draht, Strom I im Magnetfeld B kompensiert Gewicht,

Draht wird durch das Magnetfeld bewegt, Bestimmung von B durch Induktionsspannung U, Messung von U mit sog. "Josephson-Effekt" (Tunnelstrom zwischen zwei Supraleitern),

Messung von I mit sog. "Quanten-Hall-Effekt" (Sprünge der Hall-Spannung bei tiefen Temperaturen), in beide Effekte geht der Wert von h ein, der auf diese Weise bestimmt werden kann.

Referenzen

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