11. – 13. Schuljahr

Michael Rode und Michael Barth

Experimente im Unterricht zur Quantenphysik

Kritische Analysen und Tipps

Unterricht über Quantenphysik muss nicht auf Experimente verzichten, sondern kann an vielen Stellen durch Demonstrations- und punktuell auch durch Schülerexperimente unterstützt werden. Dieser Beitrag stellt eine Auswahl möglicher Experimente vor.
Lichtelektrischer Effekt
Zum lichtelektrischen Effekt gibt es bei allen Herstellern Versuchsanordnungen auf der Basis einer Vakuum-Fotozelle mit Caesium- bzw. Kalium-Fotokathode. Beispielsweise bei 3B und Mekruphy kann man untereinander baugleiche Versuchsanordnungen für ein Schülerexperiment erwerben, die Licht aus verschiedenen Leuchtdioden zur Bestrahlung der Fotokathode verwenden. 1)
An einer solchen Apparatur lassen sich einige Eigenschaften von Fotokathoden und Bedingungen für das Gelingen gleichartiger Experimente darstellen (s.u.). Den Experimenten liegt die Gegenspannungsmethode zugrunde, deren Prinzipschaltung in Abbildung 1 gezeigt wird. 2) Eine ausführliche Darstellung der Experimentierverfahren liefert [8].
Mögliche Beobachtungen
An der Apparatur von Mekruphy kann man die folgenden Beobachtungen machen:
  • Wie in der Theorie beschrieben nimmt der Fotostrom bei einer von der Wellenlänge abhängigen und von der Intensität des Lichtes unabhängigen Spannung Ug,λ den Wert I = 0 an.
  • Entgegen der Vorhersage der Theorie wechselt diese Stromstärke bei weiterer Erhöhung der Gegenspannung ihr Vorzeichen und der Betrag steigt wieder bis auf einen Sättigungswert an.
  • Für alle Gegenspannungen außer Ug,λ hängt I von der Intensität des Lichtes ab.
  • Die Messwertepaare f Ug,λ passen in allen experimentellen Varianten recht gut zur Einstein-Gleichung Ekin = hf – EA. Diese Aussage ist jedoch in der LED-Version des Experiments erstaunlich, weil die LED mit der Nennstromstärke betrieben werden und unter dieser Bedingung ein breites Spektrum emittieren. Die in den Betriebsanleitungen vorgeschlagenen Auswertungen benutzen die Wellenlänge des Emissionsmaximums als Nennwert; die Existenz kürzerer Wellenlängen wird verschwiegen.
Nähere Betrachtung und Diskussion der Beobachtungen
Das Originalexperiment stammt von Millikan, der in einer seiner ersten Veröffentlichungen dazu [2] darauf hinweist, dass I = 0 nicht mehr bedeutet, als dass zwei gegenläufige elektrische Ströme in der Fotozelle dem Betrag nach gleich groß sind. In den üblichen Darstellungen wird der elektrische Strom durch den Einfluss des Lichtes auf die Atome in der Kathode ausgelöst und ist so gerichtet, dass er durch das elektrische Feld abgebremst wird. Allerdings findet man in allen Vakuum-Fotozellen Atome des Kathodenmaterials nicht nur auf der Kathode, sondern in deutlich geringerer Zahl als sog. „abgesiedelte Atome auch an anderen Orten. Einige der von diesen Atomen durch das Licht abgelösten Elektronen werden zur Kathode hin beschleunigt, also nicht abgebremst.
Abbildung 2 zeigt die beiden gegenläufigen elektrischen Ströme auf der Grundlage von Messwerten, die an einer Vakuum-Diode gewonnen wurden. Man erkennt, dass die Spannung Ug,λ, die zu I = 0 führt, kleiner ist, als die theoretisch erwartete. Deutlich wird auch, dass weiteres Erhöhen der Gegenspannung einen entgegen der theoretischen Erwartung wieder ansteigenden elektrischen Strom bewirkt.
Wenn die Anzahl der abgesiedelten Atome steigt, wird die zugehörige Kurve (unterhalb der Rechtsachse) in Richtung der Hochachse gestreckt. Dadurch wandert der Messwert für Ug,λ noch weiter nach links.
Die Erhöhung der Lichtintensität streckt beide Kurven in gleichem Maße, verschiebt also Ug,λ nicht und beeinflusst auch I = 0 an dieser Stelle nicht, wohl aber die elektrische Stromstärke an allen anderen Stellen.
Abbildung 2 zeigt auch, warum man sicher sein kann, dass das Vorliegen von abgesiedelten Atomen in einer Fotozelle zwangsläufig zu geringe Werte für die Energie der Fotoelektronen liefert. Auch in den mit LED betriebenen Fotozellen...

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