EXP:Hallwachs-Effekt

Der Hallwachs-Effekt gilt als eines der grundlegenden Experimente der Quantenphysik und wurde im Jahr 1888 erstmals von Wilhelm Hallwachs publiziert . Es handelt sich hierbei um ein qualitatives Experiment, in welchem demonstriert wird, dass bei der Bestrahlung einer metallischen Platte Elektronen aus dieser gelöst werden können. Dies ist allgemeiner bekannt unter dem Begriff "Photoeffekt".

Theoretische Zusammenfassung

Um Elektronen aus einem Metall oder Halbleiter zu lösen, muss zunächst die sogenannte Ausrittsarbeit $E_{\mathrm {A} }$ der Elektronen im Festkörper überwunden werden. Dies lässt sich durch die Bestrahlung des Materials mit Licht geeigneter Wellenlänge erreichen. Das Material Zink besitzt beispielsweise eine Austrittsarbeit von $E_{\mathrm {A,Zn} }=4,34\;\mathrm {eV}$. Um die Elektronen aus der Zinkplatte zu lösen, muss die Platte also mit Licht der Wellenlänge

$\lambda _{\mathrm {A,Zn} }\leq {\frac {h\cdot c}{E_{\mathrm {A,Zn} }}}={\frac {h\cdot c}{4,34\;\mathrm {eV} }}=285,7\;\mathrm {nm}$

bestrahlt werden. Licht dieser Wellenlängen befindet sich im UV-Bereich und nicht im Bereich des sichtbaren Lichts. Daher ist es für diesen Versuch essentiell, eine Lampe zu verwenden, welche Licht mit Wellenlängen aus dem unteren UV-Bereich abstrahlt.

Didaktischer Rahmen

Fachdidaktische Zielsetzung

Im Rahmen dieses Experiments sollte den SuS näher gebracht werden, dass sich Elektronen aus Festkörpern durch Bestrahlung mit Licht geeigneter Wellenlängen herauslösen lassen. Dabei sollte Wert darauf gelegt werden, den SuS zu vermitteln, dass die Fähigkeit des Herauslösens nicht wie eigentlich erwartet von der Intensität des bestrahlenden Lichts, sondern von der Wellenlänge abhängt.

Nötige Vorkenntnisse

Da das Experiment am Anfang des Kapitels Quantenphysik durchgeführt wird, werden keine quantenphysikalischen Vorkenntnisse erwartet. Allerdings müssen Begriffe, wie Wellenlänge, Energie und elektrostatische Aufladung bekannt sein. Außerdem sollte den SuS die Funktionsweise eines Elektroskops klar sein.

Mögliche Schülerschwierigkeiten

Wird das Experiment als Demonstrationsexperiment durchgeführt, sollte darauf geachtet werden, dass die Zeiger des Elektroskops auch von weiter hinten sichtbar sind. Im Notfall ließe sich das Elektroskop mithilfe einer Dokumentenkamera filmen und per Beamer an die Wand projizieren.

Versuchsaufbau zum Hallwachs-Effekt. Fotografin: Kim Kappl.

Allgemein

Klassenstufe	Klasse 12
Kategorie	Quantenphysik
Einordnung in den Bildungsplan von BW	Quantenphysik und Materie 3.6.6 (1)

Klassifikation

Quantitativ/Qualitativ	Qualitativ
Demo-/Schülerexperiment	Beides möglich
Unterrichtsphase	Erarbeitungsphase
Einzelversuch/Versuchsreihe	Versuchsreihe (positive und negative Beladung der Zinkplatte)

Versuchsanleitung

Benötigtes Material

• UV-Lampe mit Lampenfassung
• Kreuzmuffe
• Stativstange, 50 cm
• 2 Stativfüße
• Stativklemme
• Zinkplatte
• Elektroskop
• Bananenkabel, 2 mm
• Krokodilklemme, 4 mm
• Plastikstab
• Hasenfell
• Plexiglasstab
• Polyerstertuch
• Glimmlampe

Übersicht aller für den Versuch notwendigen Materialien. Fotografin: Kim Kappl.

Versuchsaufbau

Schritt 1

Die Stativstange wird an einem der beiden Stativfüße befestigt und die Kreuzmuffe wird am oberen Ende der Stange befestigt. Die UV-Lampe wird in ihre Fassung geschraubt und mithilfe der Kreuzmuffe am Stativ befestigt. Für eine detailliertere Darstellung des Aufbaus der UV-Lampe vergleiche die nebenstehende Abbildung rechts oben.

Schritt 2

Nun wird Stativklemme in einen weiteren Stativfuß geschraubt und die Zinkplatte in die Stativklemme eingeklemmt, wie in der Abbildung rechts unten zu sehen. Gegebenenfalls muss die von der UV-Lampe bestrahlte Seite der Zinkplatte vor Versuchsbeginn mithilfe eines Schleifpapiers abgeschliffen werden, um die Oxidationsschicht zu entfernen. Man positioniere die Zinkplatte so, dass sie von der UV-Lampe gut bestrahlt wird.

Schritt 3

Zuletzt werden mithilfe der Krokodilklemme und dem Bananenkabel die Zinkplatte und das Elektroskop elektrisch miteinander verbunden.

Detailliertere Fotografie der Halterung der UV-Lampe. Fotografin: Kim Kappl.

Detailliertere Fotografie der Halterung der Zinkplatte. Fotografin: Kim Kappl.

Versuchsdurchführung

Zu Beginn wird die UV-Lampe in Betrieb genommen und von der Zinkplatte weggedreht. Dabei sollte darauf geachtet werden, dass den Schüler*innen nicht in die Augen geleuchtet wird, da die Lampe äußerst hell ist.

Im ersten Teil des Versuchs wird die Zinkplatte mit negativen Ladungsträgern beladen. Diese lassen sich durch Reibung des Plastikstabes an Hasenfell erzeugen, wodurch eine Ladungstrennung entsteht. Am Plastikstab befinden sich dann negative Ladungsträger und am Hasenfell positive. Das Abstreifen der negativen Ladungsträger des Plastikstabs an der Zinkplatte lässt diese elektrisch negativ aufladen. Dies äußert dadurch, dass das Elektroskop ausschlägt. Danach wird die UV-Lampe in Richtung der Zinkplatte gedreht, sodass diese bestrahlt wird.

Im Anschluss wird die UV-Lampe erneut von der Zinnplatte weggedreht und die Platte wird mit positiven Ladungsträgern beladen. Hierfür werden der Plexiglasstab und das Polyestertuch eingesetzt, da durch Reibung der Materialien aneinander eine Ladungstrennung entsteht, wodurch am Plexiglasstab ein Überschuss an positiven Ladungsträgern herrscht. Durch Abstreifen der positiven Ladungsträger des Plexiglasstabs an der Zinkplatte wird diese positiv aufgeladen und das Elektroskop schlägt erneut aus. Im Anschluss wird die UV-Lampe erneut auf die Zinkplatte gerichtet.

In der nebenstehenden Abbildung sind die zur elektrostatischen Aufladung notwendigen Materialien zu sehen.

Hinten: Elektroskop. Vorne links: Polyestertuch mit Plexiglasstab zum Aufladen des Elektroskops mit positiven Ladungsträgern. Vorne rechts: Hasenfell mit Plastikstab zum Aufladen des Elektroskops mit negativen Ladungsträgern. Fotografin: Kim Kappl.

Auswertung

Wird das Elektroskop und damit auch die Zinkplatte mit negativen Ladungsträgern aufgeladen und die Zinkplatte mit der UV-Lampe bestrahlt, so entlädt sich das Elektroskop. Werden Elektroskop und Zinkplatte hingegen mit positiven Ladungsträgern aufgeladen und mit der UV-Lampe bestrahlt, so entlädt sich das Elektroskop nicht.

Grund dafür liegt darin, dass das energiereiche Licht der UV-Lampe die Elektronen, welche sich überschüssig auf der Zinkplatte befinden, löst und sich damit das Elektroskop entlädt. Die positiven Ladungsträger hingegen werden von dem Licht nicht beeinflust.

Fehlerabschätzung

Unabhändig davon, ob die Zinkplatte positiv oder negativ geladen ist und mit UV-Licht bestrahlt wird oder nicht, entlädt sich das Elektroskop selbstverständlich dennoch mit der Zeit, da die Ladungsträger mit den Ionen in der Luft reagieren. Daher sollte das Experiment wenn möglich im Winter bei trockener Heizungsluft durchgeführt werden, um diesen Effekt zu minimieren.

Mögliche Probleme und ihre Lösungen

• Bei der Wahl der Materialien zur elektrostatischen Aufladung der Zinkplatte sollte vor der Durchführung des Experiments überprüft werden, welche Materialien sich wie aufladen. Die Überprüfung der Art der Ladung (positiv oder negativ) kann mithilfe einer Glimmlampe durchgeführt werden. Die Funktionsweise einer Glimmlampe wird im Artikel HW:Glimmlampen detailliert erklärt.
• Unter Umständen muss das Stativ der Zinkplatte auf einen Isolator gestellt werden, damit eine Erdung der Zinkplatte ausgeschlossen werden kann.

Sicherheitshinweise

• Die UV-Lampe wird sehr heiß, wenn sie länger in Betrieb ist. Vorsicht vor Verbrennungsgefahr!
• Datenblatt der UV-Lampe des Herstellers OSRAM

Fotos

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      Versucshsaufbau zum Hallwachs-Effekt.
  

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       Alle für den Versuch notwendigen Versuchsmaterialien.
  

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      Detailliertere Darstellung der Halterung der UV-Lampe.
  

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      Detailliertere Darstellung der Halterung der Zinkplatte.
  

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      Für den Versuch notwendige Materialien zur elektrostatischen Aufladung.
  

Literatur

Universität Stuttgart, 5. Physikalisches Institut, AG Physik und ihre Didaktik, lizenziert unter CC BY-NC-SA 4.0