Die Gegenfeldmethode ist ein Verfahren, mit dem man die Geschwindigkeit und damit die Energie von geladenen Teilchen (Elektronen, Ionen) bestimmen kann. Eingeführt wurde sie durch den deutschen Physiker PHILIPP LENARD (1862-1947), der sich große Verdienste um die Erforschung der Katodenstrahlen (Elektronenstrahlen) erworben hat und für seine Arbeiten 1905 mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet wurde. Durch ihn wurde auch die Energieeinheit Elektronenvolt (eV) in die Physik eingeführt.
Das Wesen der Gegenfeldmethode
Nutzbar ist die Gegenfeldmethode bei allen elektrisch geladenen Teilchen,
die sich mit einer gegebenen Geschwindigkeit bewegen. Das Prinzip ist
in Bild 1 darstellt. Ionen
oder Elektronen treten mit
einer bestimmten Geschwindigkeit v durch eine
Gitterelektrode hindurch. Wie diese Geschwindigkeit zustandekommt, ist
für das Messverfahren nicht von Bedeutung. Zwischen der Gitterelektrode
und einer zweiten Elektrode besteht ein elektrisches Feld, dessen Stärke
verändert werden kann und das so gerichtet ist, dass die Bewegung
der geladenen Teilchen im elektrischen Feld abgebremst wird. Das bedeutet:
Die Polung der Spannungsquelle hängt davon ab, ob die zu untersuchenden
Teilchen positiv oder negativ geladen sind. Bei geringer Gegenspannung
gelangen geladene Teilchen zur 2. Elektrode. Am empfindlichen Stromstärkemesser
(Galvanometer)
wird ein Strom registriert. Wird die Spannung zwischen den Elektroden
weiter erhöht, so verringert sich der Strom und wird schließlich
null. Für diesen Grenzfall gilt:
Die Umstellung nach der Geschwindigkeit v
ergibt:
Die Spannung kann mit einem Voltmeter gemessen werden.
Die spezifische Ladung kann man Tabellenwerken entnehmen. Dabei gilt:
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Haben alle Teilchen die gleiche Geschwindigkeit, so kann man mit diesem Verfahren genau diese Geschwindigkeit ermitteln. |
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Ist die Geschwindigkeit der Teilchen unterschiedlich, so erhält man die Geschwindigkeit für die schnellsten Teilchen. |
Bestimmung des
planckschen Wirkungsquantums
Mit der Gegenfeldmethode lässt sich auch das plancksche Wirkungsquantum
bestimmen. Dazu wird eine Experimentieranordnung genutzt, wie sie in Bild 2
dargestellt ist. Bei Bestrahlung mit Licht werden von der Fotokatode Elektronen
(Fotoelektronen) emittiert. Sie besitzen eine bestimmte kinetische Energie,
die von der Frequenz des eingestrahlten Lichts abhängig ist. Für
Licht einer bestimmten Frequenz (Farbe), das man durch Vorschalten eines
Farbfilters gewinnen kann, gilt die einsteinsche
Gleichung für den Fotoeffekt:
Die angegebene Spannung ist die, bei der der Fotostrom
gerade null wird. Für eine zweite Frequenz (Farbe) ist die Austrittsarbeit
gleich, die Spannung bei der Stromstärke null aber eine andere. Es
gilt also dann:
Stellt man beide Gleichungen nach der Austrittsarbeit um und setzt die
rechten Seiten gleich, so erhält man:
Die Spannungen können unmittelbar gemessen werden, die Frequenzen
ergeben sich aus den verwendeten Filtern.