Licht als Teilchen: Hallwachs, Einstein und der Fotoeffekt (Photonentheorie, +Lösung)

Beim sogenannten Hallwachs-Versuch zeigen sich erstmals Schwierigkeiten mit der zuvor erarbeiteten Wellentheorie von Licht: Bei der Bestrahlung einer Zinkplatte mit dem Licht einer Quecksilber-Dampflampe wird das mit der Zinkplatte verbundene Elektroskop entladen. Jedoch tritt der selbe Effekt nicht ein, wenn eine Glasplatte zwischen Hg-Lampe und Elektroskop platziert oder wird.Die Erklärung dafür ist, dass der UV-Anteil der Hg-Lampe durch die Glasscheibe herausgefiltert wird und für das Herauslösen von Elektronen, den sogenannten Fotoeffekt, verantwortlich ist. Im Wellenbild sollte jedoch die Lichtenergie quadratisch mit zunehmender Amplitude steigen und nicht von der Lichtfarbe, also dessen Wellenlänge oder Frequenz, unabhängig sein.Die Bestrahlung des geladenen Elektroskops mit einer starken Lichtquelle ohne UV-Anteil zeigt, dass auch eine große Lichtwellenamplitude nicht zur Auslösung des Fotoeffekts führt. Die Lichtenergie wächst also nicht mit zunehmender Amplitude sondern mit abnehmender Wellenlänge bzw. zunehmender Frequenz. Das ist ein Problem für die Modellvorstellung "Lichtwelle" und der kognitive Konflikt führt Ihre Schüler*innen auf den Pfad zur Photonentheorie.

Klassenstufen: Q1 (11./12. Jhg.), Q2 (12./13. Jhg.)

Um die Energieabhängigkeit beim Fotoeffekt quantitativ untersuchen zu können, lernen Ihre Schüler*innen vorab den Aufbau mit Fotokathode, Ringanode und Kondensator kennen. Mithilfe ihrer Kenntnisse aus dem zuvor durchgeführten Hallwachs-Versuch und einem informierenden Text zu Grundbegriffen der Elektrizitätslehre (Stromkreis, Stromstärke, Spannung), sowie den nötigen Grundlagen zum Verständnis eines Kondensators, erklären Ihre Lernenden die Idee zur Bestimmung der frequenzabhängigen Energie des Lichts mithilfe der Gegenfeldmethode selbstständig.

Klassenstufen: Q1 (11./12. Jhg.), Q2 (12./13. Jhg.)

Mit der Kompaktanordnung zur h-Bestimmung von Leybold untersuchen Ihre Schüler*innen die Abhängigkeit der aus einer Kalium-Fotozelle herausgelösten kinetischen Energie von Elektronen in Abhängigkeit der Lichtfrequenz von Farben einer Quecksilber-Dampflampe. [ Es kann aber auch eine andere Anordnung oder eine Simulation verwendet werden. ]Die aufgenommenen Datenpunkte ergeben eine Gerade im Frequenz-Energie Diagramm, deren beschreibende Funktionsvorschrift als Einstein-Gleichung bekannt ist. Ihre Lernenden schlussfolgern, dass die Energie des Lichts offenbar von ihrer Frequenz abhängt und lernen die Grenzfrequenz als Schwelle zur Auslösung des Fotoeffekts kennen.

Klassenstufen: Q1 (11./12. Jhg.), Q2 (12./13. Jhg.)

Albert Einstein gelang es die Beobachtungen beim Hallwachs-Versuch und dem Fotoeffekt in der Photonentheorie erfolgreich zu erklären.Ihre Schüler*innen lesen einen informierenden Text, beantworten Leitfragen dazu und führen einfache Rechnungen zur Photonenenergie und der Grenzfrequenz beim Fotoeffekt durch.

Klassenstufen: Q1 (11./12. Jhg.), Q2 (12./13. Jhg.)