Der Photoeffekt

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(Kursstufe > Licht als Teilchen)

Beispiele

  • Röntgenstrahlen, UV-Licht, Radiowellen, alles elektromagnetische Wellen...

  • Aber einen solchen Sonnenbrand bekommt man nicht im Auto, oder?

  • Die Milch ist in einer "Lichtschutzflasche" abgefüllt.

  • Wie groß ist die Strahlenbelastung bei Flügen...

  • oder Röntgenaufnahmen!?

  • Gamma-Strahlen können sogar tödlich sein!

  • Handystrahlung ist bestimmt nicht tödlich, aber umstritten.

  • Wenn die Batterien schlapp machen...

Zitate

"Unter Lichtstrahlen verstehe ich die kleinsten Theilchen des Lichts, und zwar sowohl nach einander in denselben Linien, als gleichzeitig in verschiedenen. Denn es ist klar, dass das Licht sowohl aus succesiven, wie aus gleichzeitigen Theilchen besteht, da man an der nämlichen Stelle das in einem bestimmten Augenblicke ankommende Licht auffangen und gleichzeitig das nachkommende vorbeilassen kann, und ebenso kann man im nämlichen Augenblicke das Licht an einer Stelle auffangen und an einer anderen vorbeilassen. Denn das aufgefangene Licht kann nicht dasselbe sein, wie das vorbeigelassene. Das kleinste Licht oder Lichttheilchen, welches getrennt von dem übrigen Lichte für sich allein aufgefangen werden kann, oder allein etwas thut oder erleidet, was das übrige Licht nicht thut, noch erleidet, - dies nenne ich einen Lichtstrahl."[1]
  • "Anders als z. B. Röntgenstrahlung kann UV-Strahlung den menschlichen Körper nicht durchdringen, sondern wird in den obersten Hautschichten absorbiert, wo die Strahlungsenergie in photochemische Reaktionsenergie umgewandelt wird. Ultraviolette Strahlung kann also beim Menschen Schäden an der Haut und an den Augen verursachen. Die Absorption erfolgt in sogenannten Chromophoren – DNS (DNA), RNS (RNA), Proteinen, Pigmenten (z. B. Melanin)."[2]
  • "Biochemische Wirkungen [...] sind immer dann zu erwarten, wenn die Energieübertragung zu Ionisationen [...] führt. Der Energiebedarf für eine Ionisation beträgt etwa 15 eV [...]. Tatsächlich wird in [...] typischen menschlichen Geweben im Mittel ein Energiebetrag von 30 eV zur Erzeugung eines Ionenpaares benötigt. Die Hälfte der Energie wird also offensichtlich ohne Ionisation übertragen."[3]

Ionisierende Strahlung

Elektromagnetische Wellen können gefährlich sein. Liegt ein Mensch zu lange in der Sonne, kann er Sonnenbrand bekommen. Dabei werden durch die UV-Strahlung Hautzellen abgetötet. Die rote Färbung der Haut kommt durch die starke Durchblutung zustande, wenn der Körper die Haut wieder "repariert". Bei Flügen in großen Höhen ist man der Röntgen- und Gammastrahlung aus dem Weltraum stärker ausgesetzt als auf der Erde, weil die schützende Luftschicht dünner ist. Dadurch steigt das Krebsrisiko leicht an, denn die Strahlung kann zu Veränderungen im Erbgut führen.

UV-Strahlen können aber auch Wasser desinfizieren, in dem sie Bakterien abtöten. Dazu müssen mit dem Wasser gefüllte Kunststofflaschen einige Stunden in die direkte Sonne gelegt werden.

Elektromagnetische Wellen mit kleiner Wellenlänge können also Atome ionisieren oder sogar chemische Bindungen trennen. Langwellige Strahlen können das nicht.

Versuch: Der Photoeffekt qualitativ

Die Hg-hochdrucklampe ist über eine Drossel an eine Spannungsquelle mit 230V angeschlossen.
Aufbau
Eine Zinkplatte wird mit Schmirgelpapier blank gerieben und auf ein Elektroskop gesteckt. Das Zink wird mit Hilfe eines geriebenen Kunststoffstabes negativ geladen oder mit einem geriebenem Glasstab positiv geladen.
Dann wird die Zinkplatte mit einer Glühlampe oder mit einer Quecksilberhochdrucklampe angeleuchtet.
Zwischen die Lampe und der Zinkplatte kann man noch eine Glasplatte halten.
Beobachtung
Das Licht der Hg-Lampe ist wesentlich weniger intensiv als das der helleren Glühbirne und bläulich.
Wird die negativ geladene Zinkplatte von der Hg-Lampe beleuchtet, so zeigt das Elektroskop eine Entladung an. In allen anderen Fällen oder mit Glühlampe oder bei positiv geladenem Zink passiert nichts, der Zeiger des Elektroskops bewegt sich nicht. Auch die Glasplatte zwischen Hg-Lampe und negativ geladenem Zink verhindert die Entladung, obwohl das bläuliche Licht weiterhin auf die Zinkplatte fällt.
Folgerung
Das Elektroskop wird negativ geladen, indem zusätzliche Elektronen auf das Zink gebracht werden. Eine Entladung der negativen Zinkplatte bedeutet, dass die überschüssigen Elektronen vom Zink entfernt werden. Das Licht der Glühlampe ist dazu offensichtlich nicht in der Lage, das Licht der Hg-Lampe aber sehr wohl.
Die Glasplatte läßt sichtbares Licht durch, verhindert aber die Entladung, woraus man schließen kann, dass die Hg-Lampe offensichtlich auch elektromagnetische Wellen aussendet, die im nicht sichtbaren Breich liegen. Dieser Anteil muss die Entladung auslösen. Langwellige infrarot-Strahlung kann es nicht sein, denn die wird von der Glühbirne auch ausgesendet. Außerdem deutet die bläuliche Farbe des Hg-Lampen-Lichtes an, dass sie wohl auch kurzwelliges ultraviolettes Licht aussendet.[4]
Kurzwelliges UV-Licht kann also Elektronen aus Zink lösen, das langwelligere sichtbare Licht aber nicht!



Fotoeffekt quantitativ.jpg


Ionisationsenergien verschiedenener Atome

Fußnoten

  1. ↑ Newton, Isaac: "Optik; oder, Abhandlung über Spiegelungen, Brechungen, Beugungen und Farben des Lichts", Robert Oppenheim, Berlin, 1898 (Original von 1704) (Online bei Internet Archive), S.5
  2. ↑ Fachverband für Strahlenschutz e. V.: "Leitfaden „Ultraviolettstrahlung künstlicher Quellen“, S.6
  3. ↑ Hanno Krieger: "Grundlagen der Strahlungsphysik und des Strahlungsschutzes", Vieweg, 2012, S. 391
  4. ↑ Deshalb ist es auch wichtig im Umgang mit der Hg-Lampe vorsichtig zu sein und möglichst nicht in die Lampe zu schauen oder eine Schutzbrille aus Glas zu tragen. Das nicht sichtbare UV-Licht kann die Netzhaut angreifen ohne dass das Auge durch einen Schließreflex sich schützt.

Literatur/Links

Biologische Wirkung

Bindungsenergien

Transparenz von Glas und Kunststoffen

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