Experiment zum Hallwachs-Effekt.

Wilhelm Hallwachs Assistent bei Heinrich Hertz entdeckte 1886 einen physikalischen Effekt, der nach ihm benannt ist, heute aber eher als äußerer Fotoeffekt bezeichnet wird.
Seine Entdeckung war maßgeblich mit daran beteiligt, dass man an der Wende des 19. zum 20.Jahrhundert die Physik neu denken musste. Erst 1905 gelang Albert Einstein schließlich eine fundierte Erklärung des Fotoeffekts. Für diese bekam er dann auch den Nobelpreis und nicht - wie viele denken - für seine Relativitätstheorie.

1) Der Hallwachs-Effekt.

Eine unoxidierte Metallfläche wird mit einem Elektroskop verbunden und beide werden negativ aufgeladen. Bestahlt man dann die Metallfläche mit "geeignetem" Licht, so stellt man eine Entladung des Elektroskops fest. Es müssen also Elektronen das Metall verlassen haben, sie müssen vom Licht ausgelöst worden sein.

Führt man dasselbe Experiment mit positiver Ladung durch, so passiert nichts. Die Ladung bleibt auf dem Elektroskop, denn positive Ladungen können das Metall nicht verlassen.

Wählt man eine "ungeeignete" Lichtquelle, so ist auch bei negativer Aufladung keine Entladung der Metallplatte zu bemerken.

Das Auslösen ist also eine Parallele zum Glühelektrischen Effekt. In beiden Fällen werden Elektronen aus einem Metall durch Energiezufuhr ausgelöst. Jedoch wird durch die Bestrahlung mit Licht die Platte nicht so heiß, dass die Erwärmung des Blechs als Erklärung für das Auslösen der Elektronen in Frage kommt.
Es ist also ein eigenständiger Effekt - eben der Lichtelektrische Effekt oder Fotoeffekt.

2) Was ist "geeignetes" Licht?

Bevor man einen richtigen Messversuch zum Fotoeffekt mit der Gegenfeldmethode und einem relativ komplexen Aufbau startet, wäre es einfach schön, den Schülerinnen und Schülern den Grundversuch von Hallwachs zu zeigen.

Über Jahre habe ich immer wieder die verschiedensten Lichtquellen der Sammlung ausprobiert und bin immer wieder gescheitert.
Natürlich wusste ich als Physiker, dass das Metall blank sein muss und dass es auf die spektrale Zusammensetzung des Lampenlichts ankommt. Aber selbst die Quecksilber Höchstdruck-Dampflampe, die ja einen hohen UV-Anteil hat, erwies sich als ungeeignet, Elektronen z.B. aus einer einfachen Aluminiumplatte auszulösen.

Zwar gibt es Spezialplatten (Cs, K, Na und Verbindungen damit) bei denen die Ablöseenergie gering (so um die 2 eV und weniger) ist, ich wollte es aber mit einer einfachen Metallplatte schaffen.
Für Aluminium (4,20 eV = 6,72*10^-19 J) und Zink (4,34 eV) liegen die Ablöseenergien deutlich höher. Gemäß der bekannten Theorie errechnet sich daraus für Aluminium eine Grenzwellenlänge von 295 nm. Das ist schon weit im UV Bereich.

Irgendwann hatte ich dann die Idee, es einmal mit der Belichtungslampe zu versuchen, mit der ich schon Fotolayouts auf Platinenmaterial für elektronische Schaltungen übertragen habe. Mit dieser Lampe klappt es wunderbar!

Die Lampe ist eine OSRAM-Vitalux 300 W Lampe. Eigentlich ist sie, wie ihr Name schon vermuten lässt, ursprünglich für Solarien konzipiert worden. Ihren Einsatz findet sie heute aber vor allem in Terrarien. Im Internet wird davor gewarnt, Reptilien über lange Zeit und bei geringem Abstand mit dieser Lampe zu beleuchten. Der Grund ist weniger die Hitzeentwicklung der Lampe - wie oft behauptet wird - das würde Reptilien nichts ausmachen, sondern der hohe Anteil an UV-A und UV-B Strahlung. Er führt bei den Tieren bei zu intensiver Bestrahlung zu Hautschäden. Genau diese UV-Strahlung wollen wir aber in Physik beim Hallwachs-Effekt haben! Für einen kurzzeitigen Einsatz (wir setzen uns der Strahlung ja nicht direkt und über Stunden aus) ist die Lampe für unsere Haut völlig ungefährlich. Es dauert auch mehrere Minuten, bis sie den vollen UV-Anteil entwickelt. Beachten Sie unbedingt die Gebrauchsanleitung.

Zu bekommen ist diese Lampe evtl. über den Zoohandel, ganz sicher aber über das Internet bzw. bei Internet-Auktionshäusern wie z.B. EBAY.
Die Lampe kostet ca. 40 Euro. Ob die etwas günstigere, angeblich baugleiche SANOLUX 300 W Lampe dieselben spektralen Eigenschaften hat, habe ich nicht geprüft.

3) Vorschlag für eine Versuchsdurchführung

Ich verwende eine der Aluminiumplatten für einen Aufbau-Plattenkondensator, die schon mit einem geeigneten Isolierstiel versehen ist. Im Prinzip können Sie natürlich jede Aluminiumplatte (gibt's im Baumarkt oder beim Installateur) verwenden und irgendwie isoliert mit dem Elektroskop verbinden. Die Platte wird vor der Versuchsdurchführung auf der Seite, die mit Licht bestahlt wird, mit feiner Stahlwolle (Baumarkt) blank gemacht.

a) Einsatz der Vitalux-Lampe.

Die Vitalux Lampe wird in Betrieb genommen und läuft etwa 1/2 bis 1 Minute vor, bevor der eigentliche Versuch beginnt. (Lampe von der Platte wegdrehen).
Nach etwa 30 Sekunden ist der UV Anteil der Lampe für das Experiment ausreichend.
Für das Experiment wird die Lampe zur Platte geschwenkt, Entfernung ca. 15 bis 20 cm. Damit wird die Platte noch nicht warm, es wird aber auch nicht zu viel UV von der Luft dazwischen absorbiert.

Die Platte wird zunächst positiv aufgeladen und mit der 300 W Vitalux Lampe bestrahlt. Die Ladung bleibt auf dem Elektroskop, auch wenn der Versuch über eine Minute läuft. (Eine geringe Selbstentladung der Platte über möglicherweise feuchte Raumluft ist aber immer möglich).

Wird die Platte aber negativ aufgeladen und mit der Lampe bestrahlt, so entlädt sich das Elektroskop.
Bei dem abgebildeten Elektroskop geschieht dies (je nach Kapazität der Platte) in etwa in 10 bis 15 Sekunden.
Dies ist langsam genug, um es gut beobachten zu können, aber schnell genug, um Entladung durch die Raumluft als Ursache auszuschließen.
Das Licht muss also Elektronen aus der Platte ausgelöst haben.

b) Kontrollversuch mit einer normalen 100 W Glühlampe.

Man kann dann, um die Beobachtung zu überprüfen, z.B. eine normale 100 W Glühlampe als Lichtquelle verwenden. Mit dieser gelingt es natürlich nicht Elektronen auszulösen.

Auf die Frage nach dem Grund dafür, argumentieren Schülerinnen und Schüler ziemlich sicher, dass die 100 W Lampe ja eine geringere Leistung und damit eine geringere Lichtintensität hat als die 300 W Vitalux Lampe.
Genau wie die Physiker des 19. Jahrhunderts unterstellen sie intuitiv (falsch), dass die Ablösung von Elektronen um so besser funktionieren müsste, je intensiver das Licht ist.

c) Einsatz einer 500W Fotolampe.

Um das zu prüfen, setze ich anschließend eine 500 W Fotolampe (Philips Argaphoto-BM Typ 318) ein. Auch eine PAR-56 Lampe aus der Beleuchtung der Schuldisco (300W oder 600W) ist hierfür geeignet, sowie wahrscheinlich jede andere Lampe, die mehr als 300W hat und nicht viel UV produziert. ("Baustellenspot"?)

Wenn die Vermutung der Schüler richtig ist, dann müsste jetzt das Auslösen der Elektronen wieder - und sogar noch besser (schneller) - gelingen.
Das Ergebnis ist aber, dass es mit dieser Lampe, trotz höherer Leistung, nicht gelingt, Elektronen auszulösen, auch wenn der Versuch über mehr als eine Minute ausgedehnt wird.

Es kann also nicht an der Leistung der Lampe (und damit an der Lichtintensität) liegen, ob Elektronen ausgelöst werden oder nicht.
Eine andere Eigenschaft des Lichts muss dafür verantwortlich sein!

Diese Schlussfolgerung bildet dann den Einstieg in die traditionelle Untersuchung des Fotoeffekts mit Fotozelle und Gegenfeldmethode, bei der man zeigen wird, dass die Lichtwellenlänge für die Energie der ausgelösten Fotoelektronen verantwortlich ist (Veränderung der Lichtfarbe durch Farbfilter).
Die Lichtintensität bestimmt lediglich den Fotostrom, also die Zahl der ausgelösten Elektronen, jedoch nicht deren Energie.

Klaus-Dieter Grüninger, Landesbildungsserver