Photoelektrischer Effekt

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Gerät zur Messung des photoelektrischen Effekts. Die Emitterelektrode (E) und die Kollektorelektrode (C) befinden sich in einer evakuierten Quarzröhre, so dass ultraviolettes Licht hindurchdringen kann.

Der photoelektrische Effekt, auch lichtelektrischer Effekt, Photoelektrizität oder kurz Photoeffekt genannt, ist ein physikalisches Phänomen, das auftritt, wenn Licht auf die Oberfläche eines Materials trifft und Elektronen aus dem Material herauslöst. Dieser Effekt tritt nur auf, wenn Licht einer ausreichenden Frequenz (oder Energie) auf die Oberfläche eines Metalls oder eines anderen leitenden Materials trifft, wodurch Elektronen aus der Oberfläche herausgelöst werden und einen elektrischen Strom erzeugen.

Entdeckung

Der photoelektrische Effekt wurde erstmals von Heinrich Hertz im Jahr 1887 entdeckt. Heinrich Hertz war ein deutscher Physiker, der bedeutende Beiträge zur Theorie des Elektromagnetismus leistete und insbesondere die Existenz elektromagnetischer Wellen experimentell nachwies. Während seiner Untersuchungen der elektromagnetischen Wellen bemerkte Hertz, dass die Funkenentladung zwischen zwei Elektroden in einer Vakuumröhre leichter auftrat, wenn die Elektroden von ultraviolettem Licht beleuchtet wurden. Dies war die erste Beobachtung des photoelektrischen Effekts, obwohl Hertz zu dieser Zeit das Phänomen nicht vollständig verstand oder erklären konnte.

Zuvor gab es allerdings schon ähnliche Beobachtungen im Zusammenhang mit dem sogenannten Becquerel-Effekt. Der Becquerel-Effekt, benannt nach dem französischen Physiker Alexandre Edmond Becquerel, wurde von diesem bereits 1839 entdeckt[1] und bezieht sich auf die Umwandlung von Lichtenergie in elektrische Energie durch Absorption in bestimmten Materialien. Becquerel fand heraus, dass einige Materialien, insbesondere Metallsalze, die auf einer Elektrode abgeschieden wurden, elektrischen Strom erzeugten, wenn sie Licht ausgesetzt wurden. Üblicherweise wird dabei aber nur eine der beiden Elektroden beleuchtet. Als besonders wirksam erwies sich dabei ultraviolettes Licht, insbesondere bei oxidierten oder halogenierten Elektroden oder solchen aus Selen. Dieses Phänomen ist im Grunde genommen der Photoelektrizität verwandt, bezieht sich aber speziell auf die Erzeugung von Strom in Festkörpern, wenn sie Licht absorbieren. Dieser Effekt ist eng verwandt mit dem inneren photoelektrischen Effekt, der in Halbleitern auftritt, und es ist tatsächlich ein Vorläufer der modernen Solarzellen.

Obwohl der Becquerel-Effekt und der photoelektrische Effekt verwandt sind, unterscheiden sie sich in Bezug auf die beobachteten Phänomene und die zugrunde liegenden Mechanismen. Der Becquerel-Effekt bezieht sich auf die Erzeugung von elektrischem Strom in Festkörpern durch Lichtabsorption, während der photoelektrische Effekt die Freisetzung von Elektronen aus der Oberfläche eines Materials durch Licht beschreibt. Dennoch trugen beide Effekte dazu bei, das Verständnis der Wechselwirkung von Licht und Materie zu vertiefen und führten zur Entwicklung der Quantenmechanik und der Photovoltaik.

Theoretischer Hintergrund

Schema des äußeren photoelektrischen Effekts: Bei Bestrahlung mit kurzwelligem Licht werden aus der Oberfläche Elektronen herausgelöst.

Der photoelektrische Effekt war in den frühen Jahren des 20. Jahrhunderts Gegenstand intensiver Untersuchungen. Die klassische Physik konnte das Phänomen jedoch nicht zufriedenstellend erklären, insbesondere die Beobachtung, dass die Energie der ausgestoßenen Elektronen proportional zur Frequenz des Lichts ist und unabhängig von dessen Intensität.

Albert Einstein lieferte 1905 einen entscheidenden Beitrag zum Verständnis des photoelektrischen Effekts, indem er die Hypothese von Max Planck über die Quantisierung der Energie in Lichtquanten aufgriff und weiterentwickelte. Einstein postulierte, dass Licht aus diskreten Energiepaketen (Photonen) besteht, deren Energie proportional zur Frequenz des Lichts ist:

Der Proportionalitätsfaktor ist das Plancksche Wirkungsquantum .

Einstein erklärte den photoelektrischen Effekt, indem er vorschlug, dass die Photonen die Elektronen im Material mit ihrer Energie versorgen. Wenn die Energie des Photons größer ist als die Austrittsarbeit (die Energie, die benötigt wird, um ein Elektron aus dem Material zu entfernen), wird ein Elektron ausgestoßen. Die überschüssige Energie des Photons wird in kinetische Energie des Elektrons umgewandelt. Da die Energie der Photonen von der Frequenz des Lichts abhängt, erklärt dies die beobachtete Frequenzabhängigkeit der Energie der ausgestoßenen Elektronen.

Einsteins Erklärung des photoelektrischen Effekts war ein wichtiger Schritt in der Entwicklung der Quantenmechanik und trug dazu bei, die Dualität von Licht als Welle und Teilchen zu etablieren. Für seine Beiträge zur Quantenphysik, insbesondere zum Verständnis des photoelektrischen Effekts, erhielt Einstein 1921 den Nobelpreis für Physik.

Verschiedene Formen des photoelektrischen Effekts

Schematische Skizze eines Photomultipliers
Versuchsaufbau bei der Gegenfeldmethode. Licht trifft auf die Kathode einer Photozelle und löst Elektronen aus dem Metall. Diese werden von der Anode aufgefangen.
Diagramm der kinetischen Energie der Elektronen in Abhängigkeit von der Frequenz des Lichts bei einer Photokathode aus Zink. Der sichtbare Frequenzbereich des Lichtes ist als Spektrum eingetragen

Der photoelektrische Effekt kann in zwei hauptsächliche Kategorien unterteilt werden, den äußeren photoelektrischen Effekt und den inneren photoelektrischen Effekt. Diese beiden Effekte unterscheiden sich in der Art und Weise, wie die Elektronen auf die einfallenden Photonen reagieren und wie die Elektronen im Material interagieren. Darüber hinaus gibt es noch eine dritte eng mit dem Photoeffekt verbundene Form, die Photoionisation.

Äußerer photoelektrischer Effekt

Der äußere photoelektrische Effekt tritt auf, wenn Photonen auf die Oberfläche eines Materials treffen und Elektronen aus dem Material herauslösen, die dann einen elektrischen Strom erzeugen. Im Gegensatz zum inneren photoelektrischen Effekt verlassen die Elektronen das Material vollständig. Der äußere photoelektrische Effekt wird in lichtempfindlichen Geräten wie Photomultipliern oder Photodioden verwendet, um Licht in elektrische Signale umzuwandeln.

Ein Beispiel für den äußeren photoelektrischen Effekt sind Photomultiplier-Röhren, die in der Detektion von schwachen Lichtsignalen eingesetzt werden, etwa in der Astronomie oder in der experimentellen Teilchenphysik. In diesen Anwendungen wird Licht auf die Oberfläche einer Photokathode gerichtet, und die durch den äußeren photoelektrischen Effekt freigesetzten Elektronen werden vervielfacht und in ein elektrisches Signal umgewandelt.

Gegenfeldmethode

Die Gegenfeldmethode, auch als Gegenfeldversuch oder Gegenfeldanordnung bekannt, ist eine experimentelle Methode zur Untersuchung und Demonstration des äußeren photoelektrischen Effekts. Mit dieser Methode kann die Beziehung zwischen der Lichtfrequenz, der kinetischen Energie der emittierten Elektronen und der Austrittsarbeit des Materials untersucht werden.

Im Gegenfeldversuch wird eine Vakuumröhre verwendet, die zwei Elektroden enthält: eine emittierende Elektrode (Kathode) und eine sammelnde Elektrode (Anode). Die Kathode besteht aus einem Material, das beim Auftreffen von Licht (Photonen) Elektronen freisetzt – das ist der photoelektrische Effekt. Die Anode und die Kathode sind über einen externen Stromkreis und ein Amperemeter verbunden, um den Fluss der freigesetzten Elektronen zu messen.

Während des Experiments wird die Kathode mit Licht einer bestimmten Frequenz oder Wellenlänge bestrahlt, wodurch Elektronen freigesetzt werden, die zur Anode wandern. Um den Elektronenfluss zu beeinflussen, wird eine variable Spannung (Gegenfeld) zwischen der Anode und der Kathode angelegt. Durch die Anwendung einer negativen Spannung auf die Anode wird eine elektrische Kraft entgegengesetzt zur Bewegungsrichtung der Elektronen erzeugt, wodurch diese abgebremst oder sogar vollständig gestoppt werden können.

Die Spannung, bei der der Elektronenfluss vollständig gestoppt wird und kein Strom mehr gemessen wird, wird als Stoppspannung bezeichnet. Die Stoppspannung ist ein Maß für die maximale kinetische Energie der emittierten Elektronen, da sie der Energie entspricht, die benötigt wird, um die Elektronen vollständig abzubremsen. Durch die Messung der Stoppspannung für verschiedene Lichtfrequenzen kann die Beziehung zwischen der Lichtfrequenz und der kinetischen Energie der emittierten Elektronen untersucht werden, was die quantenhafte Natur des Lichts und den photoelektrischen Effekt bestätigt, wie von Albert Einstein vorausgesagt.

Innerer photoelektrischer Effekt

Der innere photoelektrische Effekt tritt auf, wenn Photonen in ein Material eindringen und Elektronen aus ihren gebundenen Zuständen in einen höheren, gelösten Zustand anheben. Im Gegensatz zum äußeren photoelektrischen Effekt bleiben die Elektronen jedoch im Material und tragen nicht zur Erzeugung eines elektrischen Stroms bei. Stattdessen erhöhen sie die Leitfähigkeit des Materials, indem sie in den Leitungsband des Materials gelangen. Der innere photoelektrische Effekt ist wichtig in Halbleitern und spielt eine entscheidende Rolle in Solarzellen, bei denen Licht in elektrische Energie umgewandelt wird.

Photoionisation

Die Photoionisation ist ein Prozess, der eng mit dem photoelektrischen Effekt zusammenhängt. Beide Prozesse beinhalten die Interaktion von Licht (Photonen) mit Materie, die dazu führt, dass Elektronen aus ihrem gebundenen Zustand herausgelöst werden. Der Hauptunterschied zwischen den beiden liegt in der Art der beteiligten Materie und den resultierenden Produkten.

Photoionisation bezieht sich speziell auf den Prozess, bei dem Photonen mit Atomen oder Molekülen interagieren und Elektronen aus diesen herauslösen. Dies führt zur Bildung von Ionen, da die Atome oder Moleküle nach dem Verlust eines oder mehrerer Elektronen eine elektrische Ladung aufweisen. Photoionisation ist ein wichtiger Prozess in der Astrophysik, der Atmosphärenchemie und der Plasmaphysik.

Der photoelektrische Effekt bezieht sich hingegen auf den Prozess, bei dem Photonen auf die Oberfläche eines Materials (z. B. ein Metall oder ein Halbleiter) treffen und Elektronen aus dem Material herauslösen. Dies kann entweder den inneren oder den äußeren photoelektrischen Effekt betreffen, wie oben beschrieben.

In gewisser Weise kann man sagen, dass die Photoionisation eine spezifischere Form des photoelektrischen Effekts ist, bei der die beteiligte Materie aus einzelnen Atomen oder Molekülen besteht und der resultierende Effekt die Bildung von Ionen ist. Beide Prozesse basieren jedoch auf der grundlegenden Wechselwirkung von Photonen mit Materie und der Übertragung von Energie von den Photonen auf die Elektronen, die dann aus ihrem gebundenen Zustand herausgelöst werden.

Literatur

  •  Silvana Galdabini, Giuseppe Giuliani und Nadia Robotti: Photoelectricity within Classical Physics: From the Photocurrents of Edmond Becquerel to the First Measure of the Electron Charge. (PDF).
  •  Albert Einstein: Über einen die Erzeugung und Verwandlung des Lichtes betreffenden heuristischen Gesichtspunkt. In: Annalen der Physik. 322, Nr. 6, 1905, S. 132–148 (Online).
  •  Clauser: Experimental distinction between the quantum and classical field-theoretic predictions for the photoelectric effect.. In: Physical Review D. 9, Nr. 4, 1974, S. 853–860.
  •  Lamb Jr.: The photoelectric effect without photons. In: Presses Universitaires de France. Paris, 1969.

Einzelnachweise

  1.  Alexandre Edmond Becquerel: Mémoire sur les effets électriques produits sous l'influence des rayons solaires. In: Comptes rendus hebdomadaires des séances de l'Académie des sciences. 9, 1839, S. 561-567 (online bei Gallica Bibliothèque nationale de France BnF).