EXP:Hallwachs-Effekt

Der Hallwachs-Effekt gilt als eines der grundlegenden Experimente der Quantenphysik. Hier wird nämlich gezeigt, dass Licht mit einem gewisssen ultravioletten Anteil Elektronen aus einer Zinkplatte lösen kann. Des Weiteren wird hier gezeigt, dass nicht die Lichtintensität, sondern die Wellenlänge des die Zinkplatte bestrahlenden Lichts für den Austritt der Elektronen aus der Metallplatte maßgebend ist. Dies ist allgemeiner bekannt unter dem Begriff "Photoeffekt".

Theoretische Zusammenfassung

Um Elektronen aus einem Festkörper zu lösen, muss zunächst die sogenannte Ausrittsarbeit :$E_{\mathrm{A}}$ der Elektronen im Festkörper überwunden werden. Dies lässt sich beispielsweise durch die Bestrahlung des Festkörpers mit Licht geeigneter Wellenlänge erreichen. Das Material Zink besitzt eine Austrittsarbeit von :$E_{\mathrm{A}}=4,34\mathrm{e}V$.

Didaktischer Rahmen

Fachdidaktische Zielsetzung

Auf welche prozessbezogene Kompetenz soll hier Wert gelegt werden? Beschreibe hier genauer was die SuS mit diesem Experiment lernen sollen.

Nötige Vorkenntnisse

Beschreibe hier genauer welche Vorkenntnisse ein*e SuS benötigt um das Experiment verstehen zu können. Dabei müssen auch die nötigen Vorkenntnisse aus anderen Fächern beachtet werden.

Mögliche Schülerschwierigkeiten

Beschreibe hier welche Schwierigkeiten die SuS beim Beobachten des Demonstrationsexperiments bzw. beim eigenständigen Durchführen des Experiments haben könnten. GGf. kannst du hier auch Lösungsansätze beschreiben.

Schülervorstellungen, die hier relevant werden

Gibt es in der Literatur (z.B. Schecker, Horst; Wilhelm, Thomas; Hopf, Martin; Duit Reinders (Hrsg.) (2018): Schülervorstellungen und Physikunterricht. Berlin: Springer-Verlag GmbH) bereits erforschte Schülervorstellungen, die bei diesem Experiment relevant werden könnten? Beschreibe die Schülervorstellungen mit eigenen Worten und beschreibe warum sie hier relevant sind. GGf. kannst du auch einen Lösungsansatz beschreiben.

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

Als Liste einfügen mit den Links zur Hardware, wenn sie sich schon im Wiki befindet. Beispiel:

• 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

Genauere Beschreibung des Versuchsaufbaus. Hier können auch einzelne Schritte beschrieben werden. Gerne zu jedem Schritt Bilder einfügen.

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.

Schritt 2

Befestige die Stativklemme in dem zweiten Stativfuß und klemme die Zinkplatte in die Stativkleme ein, wie in der Abbildung rechts 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. Positioniere die Zinkplatte so, dass sie von der UV-Lampe gut bestrahlt wird.

Schritt 3

Verbinde mithilfe der Krokodilklemme und dem Bananenkabel die Zinkplatte und das Elektroskop.

Detailliertere Fotografie der Halterung der UV-Lampe. 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. Die hierfür notwendigen negativen Ladungsträger lassen sich durch Reibung des Plastikstabes an Hasenfell erzeugen und das Abstreifen der Ladungsträger am Plastikstab auf die Zinkplatte lässt diese elektrisch negativ aufladen. Dies äußert sich dadurch, dass das Elektroskop ausschlägt. Danach wird die UV-Lampe in Richtung der Zinkplatte gedreht, sodass diese bestrahlt wird. Daraufhin sollte sich der Zeiger des Elektroskops nach unten bewegen. 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 auf die Zinkplatte gerichtet und es lässt sich beobachten, dass sich hier die Zeiger nicht merklich bewegen.

Auswertung

Hier sollen Diagramme, Werte und eine Fehlerabschätzung zum Experiment hin. Gegebenenfalls können hier auch Gleichungen eingebunden werden. Mathematische Ausdrücke werden durch den <math>-Tag initiiert:

$\mathrm{i}\hslash \frac{\partial }{\partial t}|\psi (t)⟩=\hat{H}|\psi (t)⟩.$

Beim Vergleich mit Literaturwerten oder ähnlichem sollte durch die Referenzumgebung <ref> auf geeignete Quellen verwiesen werden, diese erscheinen dann auch automatisch am Seitenende.

Mögliche Probleme und ihre Lösungen

Treten beim Experiment häufiger Fehler auf? Bitte beschreibe sie hier.

Sicherheitshinweise

Hier nötige Sicherheitshinweise notieren. Ggf. Betriebsanweisung verlinken.

• Influenzmaschine

Fotos

Am Ende des Dokuments kommt eine Galerie aller Bilder, die zu diesem Experiment unter dem Namensraum "Datei:" bereits vorhanden sind. Im Allgemeinen lohnt es sich häufig auch, bereits bestehende Texte und deren Syntax zu betrachten:
<div class="row"> <div class="large-4 large-centered columns"> <ul class="example-orbit" data-orbit> <li> [[Datei:Bild.png|slide 1]] <div class="orbit-caption"> Bildbeschreibung </div> </li> </ul> </div> </div>

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       Ein Kolibri
  

Literatur

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