The Photoelectric Effect

00:01 Damit wären wir fast beim letzten Thema angelangt.

00:04 Entschuldigung, der Photoelektrische Effekt.

00:07 Dieser photoelektrische Effekt ist wirklich sehr interessant historisch betrachtet.

00:12 Ein möglicher Titel für diesen Abschnitt könnte also lauten, “Wie man einen Nobel-Preis erhält”.

00:16 Denn was in der Vergangenheit geschah, war, dass sie einen Effekt sahen, den sie nicht verstanden, bis Einstein kam und eine Theorie darüber entwickelte, wie Teilchen quantisiert werden können.

00:26 Und genau dafür hat er seinen Nobelpreis bekommen.

00:28 Lassen Sie uns also diesen Effekt ein wenig erforschen.

00:31 Was ihnen auffiel, ausgehend von dieser Idee, die wir bereits eingeführt haben, war, dass man Licht senden kann und wenn man ein Atom mit einer bestimmten Energie des Lichts trifft, dass man das Elektron vollständig vom Atom befreien kann.

00:42 Andererseits haben sie diese Experimente durchgeführt, und das ist wo das große Mysterium hinzukam.

00:46 Sie haben ein Experiment mit einer Schaltung durchgeführt, wie sie hier zu sehen ist.

00:50 wo Sie eine Batterie haben.

00:51 Sie können den Strom durch den Stromkreis mit Hilfe eines Amperemeters, eines Strommessgerätes messen, das wir in unserem Kapitel über Stromkreise besprochen haben.

00:56 Und am oberen Ende des Stromkreises werden diese Platten mit einer Batterie angebracht, die an diese Platten angeschlossen ist, sodass wir eine gewisse Ladung auf den beiden Platten haben.

01:04 So haben Sie eine unterschiedliche Ladung zwischen den beiden.

01:08 Der Strom will also wirklich über diese Platten fließen aber kann es nicht, weil sie durch eine gewisse Entfernung getrennt sind.

01:13 Es kann also kein Strom fließen.

01:16 Andererseits, wenn man die Platten beleuchtet, kann es passieren, dass die Protonen die Elektronen freisetzen.

01:21 Sie stoßen die Elektronen von einer Platte ab.

01:23 und die Elektronen können durch Ihren Stromkreis fließen.

01:26 Sie können dies durch einen Blick auf Ihr Strommessgerät feststellen.

01:28 Der Amperemeter misst den Strom in Ihrem Stromkreis.

01:30 Wenn Sie also sehen, dass der Amperemeter springt und ansteigt, wissen Sie, dass der Strom durch Ihren Stromkreis läuft.

01:35 Das wirklich seltsame Mysterium ist, dass als sie rotes Licht zu diese Platten sendeten, und versuchten, die Elektronen zu befreien, damit sie durch den Stromkreis fließen konnten, nichts passierte und kein Strom durch den Stromkreis floss.

01:47 Wenn sie hingegen eine höhere Energie das blaue Licht, durch den Stromkreis sandten, die Elektronen flossen, und sie sahen, wie der Strom anstieg.

01:55 Aber der sehr merkwürdige Aspekt, wie sie in diesem Bild repräsentiert sehen können war, dass, wenn sie eine große Menge rotes Licht schickten, sehr hohe Mengen roter Energie, sie immer noch nicht die Elektronen dazu bekamen, durch den Stromkreis zu fließen.

02:07 Und als sie dann sehr niedrige Energien des blauen Lichts hineinschickten, sehr wenige Photonen und sehr kleine Lichtmengen, die Energie trotzdem fließen würde.

02:15 Auch wenn es dort nur sehr wenig Energie gibt.

02:17 Dies konnte also nicht mit der klassischen Wellenidee des Lichts beschrieben werden, welche vor diesem Punkt mit der Idee der Lichtpartikel gehalten und diskutiert wurde.

02:26 Denn wenn du an eine Welle denkst, könnten wir eine Welle senden wie diese hier.

02:29 Und wir könnten dieser Welle eine sehr, sehr hohe Amplitude geben.

02:32 Sie sehen, dass wir diese Welle ohne große Amplitude gezeichnet haben.

02:34 Das bedeutet, dass es sich um eine sehr energiereiche Lichtwelle handeln würde.

02:37 Aber diese sehr energiereiche Lichtwelle schaffte es immer noch nicht um das Elektron dazu zu bringen, das Atom zu verlassen.

02:43 Wir brauchten also eine neue Theorie, um zu beschreiben, warum sehr hohe Licht-Energie keine Elektronen freisetzen konnte, wenn scheinbar sehr energiearmes Licht Elektronen freisetzen könnte.

02:52 Und das war Einsteins Theorie.

02:54 Und wieder erhielt er einen Nobelpreis für die Beschreibung und das Verständnis, wie wir dieses Licht quantisieren können, dass es anstatt eine große Welle mit einer hohen Amplitude zu sein, zahlenmäßig sehr viele und in Energie sehr niedrige rote Lichtphotonen sind.

03:09 Die Art und Weise, wie dieser Effekt beschrieben wird, bedeutet für uns, dass wenn diese Lichtphotonen in das Atom eindringen, das Elektron jedes Photon einzeln bewertet.

03:20 Wenn also die Photonen eintreffen, wird es ein rotes Lichtphoton betrachten, was wiederum ein Photon niedriger Energie ist.

03:26 Und es wird feststellen, dass diese Energie nicht ausreicht.

03:28 Und dieses Photon geht weg und das nächste kommt rein.

03:31 Mit anderen Worten: Ein bestimmtes Photon, ein bestimmtes Lichtpaket, hat genug Energie, um das Elektron freizusetzen.

03:37 Und selbst wenn man eine hohe Amplitude des Lichts aufbaut, eine hohe Energie, indem man viele, viele Photonen zusammenzählt, kann man diesen Effekt immer noch nicht überlisten.

03:46 Das Elektron erfordert immer noch, dass ein bestimmtes Photon des Lichts genug Energie hat, um es aus seiner Umlaufbahn zu stoßen.

03:52 Andererseits, wenn wir mehr von ihnen einsenden, wird es immer noch zu schwach sein.

03:57 Auf der anderen Seite, mit dem blauen Licht oder den höheren Frequenzen, den violetten oder ultravioletten Frequenzen, auch bei sehr niedrigen Lichtenergien, wie einem einzigen Photon, zum Beispiel, wird das Elektron im Atom dieses Photon bewerten, wenn es eintrifft, und sagen “ja, dieses Photon hat genug Energie, um mich zu veranlassen mein Orbital zu verlassen” und somit wird das Elektron aus dem Orbital des Atoms gestoßen.

04:19 Das gilt auch für sehr niedrige Lichtenergien.

04:21 Dies wird als "Photoelektrischer Effekt" bezeichnet, da die photoelektrische Schaltung, die ursprünglich eingesetzt wurde, um dieses Phänomen zu untersuchen, zeigte, dass man Elektronen mit sehr wenigen, blauen Photonen höherer Energie, durch die Schaltung senden konnte, den Strom jedoch trotzdem nicht durch die photoelektrische Schaltung senden konnte die photoelektrische Schaltung senden konnte mit einer großen Menge an Energie, vielen, vielen roten Photonen, wobei jedes einzelne Photon, nur eine niedrige Energie hatte.

04:46 Nun haben wir eine letzte Idee, die lautet, “Was wäre, wenn ich ein Elektron aus meinem Atom herausschicken würde, indem ich es mit einem Photon des Lichts treffe?” Die Frage ist, Wie viel Energie brauchen wir? Wir haben gerade besprochen, dass ein Elektron es braucht, dass ein bestimmtes Photon, wenn es eintrifft, genügend Energie hat, um das Elektron aus dem Atom herauszuschlagen.

05:05 Wir müssen uns also fragen, wie viel Energie dafür benötigt wird.

05:07 Wir nennen diese Energie die "Arbeitsfunktion".

05:10 Und sie wird durch den griechischen Buchstaben V dargestellt für ein bestimmtes Atom oder ein bestimmtes Elektron in einem Orbital des Atoms.

05:17 Also schicken wir ein Photon hinein, und wir wissen bereits, wir erinnern uns daran, dass wir bereits gelernt haben, dass die Energie eines Photons gleich “h” (also der Planckschen Konstante), mal der Frequenz des Photons ist.

05:28 Das heißt, wenn ich ein Photon mit einer bestimmten Energie sende und es wird aus dem Atom freigesetzt, es diesen nun verlässt und sich wegbewegt und eine Art von kinetischer Energie hat.

05:37 Die Energie des Photons ist also das Einzige, was den die Elektronen die Energie zur Bewegung gab.

05:42 Das bedeutet also, dass die Energie der Photonen, wenn es auf das Elektron trifft, teilweise dahineingeht, das Elektron aus dem Atom zu bekommen, es einfach zu befreien, oder die Freisetzung des Elektrons aus dem Atom.

05:52 Während der Rest der Energie in die kinetische Energie des Atoms fließen kann.

05:56 Wir können also eine Gleichung wie die folgende aufstellen, die eigentlich nur eine Energieerhaltungs-Gleichung ist die besagt, dass auf der linken Seite die Energie des Photons h mal f gleich den zwei unterschiedlichen Stellen ist, in die diese Energie fließt.

06:10 Ein Teil der Energie wird in die kinetische Energie des Photons gehen, und ein Teil der Energie musste verwendet werden, um die Elektronen aus dem Atom freizusetzen.

06:17 Und das wiederum entspricht der Arbeitsfunktion für ein bestimmtes Atom.

06:21 Wir können diese Gleichung umstellen und die Geschwindigkeit ermitteln die das Elektron nach dem Verlassen des Atoms hat.

06:28 Durch einfaches Umordnen setzen wir also den Term K, die kinetische Energie auf eine Seite der Gleichung.

06:32 Wir setzen die Arbeitsfunktion V auf die andere Seite der Gleichung.

06:35 Und dann können wir schreiben, was wir bereits über den kinetischen Energie-Ausdruck wissen, der 1/2 m v2 im Quadrat ist.

06:42 Wir wissen nun, dass 1/2 m v2 im Quadrat, die kinetische Energie des Elektrons, nachdem es das Atom verlassen hat, gleich sein muss mit die Energie der Photonen, was auch immer die ursprüngliche Energie ist, welche hineinkam, abzüglich der Energie, die für die Freisetzung des Elektrons aufgewendet werden musste.

06:57 Wir haben hier also einen Ausdruck dafür, wie schnell ein Elektron ein Atom verlässt, wenn wir beides wissen, die Energie des Photons, das wir hinein schicken und die Arbeitsfunktion für ein bestimmtes Atom.

07:07 Und diese Arbeitsfunktionen werden experimentell berechnet.

07:09 Es gibt also große Tabellen mit diesen Arbeitsfunktionen für verschiedene Arten von Materialien.

07:13 Also indem man lediglich weiß, welches Licht man aussendet und welche Farbe es hat, welche Frequenz, kann man genau wissen, wie schnell die Elektronen befreit werden, was für Experimente sehr nützlich ist.

07:23 Damit ist unsere Diskussion über die elektronische Struktur von Atomen abgeschlossen.

07:27 Wir begannen mit dem Bohrschen Modell und der Grundstruktur, wie Atome in unserem neuen Modell der Dinge arbeiten.

07:31 Wir haben die verschiedenen Formen besprochen, die Elektronen annehmen können, während sie ihr Atom umkreisen, die verschiedenen Orbitale sowie die unterschiedlichen Quantenzahlen und wie sie mit dem Periodensystem zusammenhängen.

07:40 Und schließlich haben wir mit der Diskussion über einige fortschrittlichere Konzepte abgeschlossen, über die spezielleren Besonderheiten, wie sich diese elektronische Struktur sich in einigen sehr wichtigen Experimenten verhält.

07:50 Als Nächstes werden wir uns mit der Thermodynamik befassen, welche unser letztes Thema für diese Vortragsreihe sein wird.

07:55 Und bis dahin, danke fürs Zuhören.