Photoelektrischer Effekt

Unter dem Begriff photoelektrischer Effekt oder fotoelektrischer Effekt werden vier nahe verwandte, aber unterschiedliche Phänomene in der Physik zusammengefasst: Meist bezeichnet man als photoelektrischen Effekt ungenau den Äußeren photoelektrischen Effekt, weiterhin gibt es den Inneren photoelektrischen Effekt, die Photoionisation (auch atomarer oder molekularer Photoeffekt) und den Photovoltaischen Effekt.

In allen Fällen wird die Energie eines Photons auf ein Elektron übertragen. Je nach der weiteren Wirkung dieses energiereichen Elektrons unterscheidet man die vier Arten des photoelektrischen Effektes.

Äußerer photoelektrischer Effekt

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

Der Äußere photoelektrische Effekt, der auch Photoeffekt, Hallwachseffekt oder lichtelektrischer Effekt genannt wird, behandelt das Freisetzen elektrisch geladener Teilchen aus einem Material, wenn dieses von elektromagnetischer Strahlung (etwa Licht oder Ultraviolettstrahlung) getroffen wird. Dieser Effekt wurde 1886 von Heinrich Hertz erstmals beobachtet und von dessen Assistenten Wilhelm Hallwachs systematisch untersucht (1887 Hallwachseffekt). Unoxidierte Metalle geben im negativ aufgeladenen Zustand Elektronen ab, wenn ihre Oberfläche durch Licht bestrahlt wird. Die von den Elektronen aufgenommene kinetische Energie hängt von der Frequenz (und damit von der Farbe) des bestrahlenden Lichtes ab und nicht von dessen Intensität. Dies stand im Gegensatz zur klassischen Physik (klassische Mechanik und Elektrodynamik), die dies nicht erklären konnte, da nach allem, was man damals wusste, die Energie einer Welle von deren Amplitude und nicht von der Frequenz abhängig ist.

Albert Einstein zeigte 1905, dass eine Beschreibung des Lichts durch Lichtquanten, heute Photonen genannt, den Effekt gut erklären kann. Insofern gilt der fotoelektrische Effekt als eines der Schlüsselexperimente zur Begründung der Quantenphysik, da er den Versuch aufgrund der Lichtquantenhypothese erklärte. Einstein wurde 1921 für diese Arbeit mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet.

Schon Isaac Newton hatte Lichtteilchen angenommen. Die Vorstellung von Lichtteilchen galt im 19. Jahrhundert als überholt. Durch Interferenzexperimente und die großartige Übereinstimmung vieler Experimente mit Maxwells Elektrodynamik, die Licht als elektromagnetische Welle auffasste, war der Wellencharakter des Lichtes unbestritten.

Einsteins Erklärungen des fotoelektrischen Effektes waren vor diesem Hintergrund eine mutige und gewagte Hypothese. Die Frage, ob Licht nun aus Wellen oder Teilchen bestehe, kann seitdem nicht mehr so gestellt werden. Licht zeigt sowohl Wellencharakter als auch Teilchencharakter, dieses Phänomen wurde früher als Welle-Teilchen-Dualismus bezeichnet. Die Quantenelektrodynamik löst den Widerspruch allerdings auf.

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Feynman-Graph zum Photoeffekt: Ein elektrisch an ein Atom "Z" gebundenes Elektron interagiert mit einem Photon und ändert dabei seine Energie

Mikroskopisch erklärte Einstein diesen Effekt durch die Übergabe der Energie eines Photons an ein im Material gebundenes Elektron. Das Elektron muss mindestens soviel Energie erhalten, um die vom Material abhängige Austrittsarbeit zu überwinden, mit der es an das Material gebunden ist, so dass man einen Effekt beobachten kann. Einstein schlug vor, anzunehmen, dass die Energie der einfallenden Photonen von ihrer Frequenz abhängt $E=h\cdot \ \!\!\!f$ (h ist das plancksche Wirkungsquantum).

Folglich gibt es für jedes Material eine maximale Wellenlänge (bzw. eine minimale Frequenz), bei der dieser Effekt auftritt. Die maximale kinetische Energie der austretenden Elektronen wird dabei wie folgt berechnet:

$E_{kin\,max}=h\cdot \ \!\!\!f-W_{A}$ (Einstein-Gleichung; $W_{A}$ ist dabei die materialabhängige Austrittsarbeit)

Die herausgeschlagenen Elektronen verlassen das Material mit kinetischer Energie. Sie erzeugen eine Ladungstrennung (Spannung), die von der Lichtwellenlänge abhängt. Der daraus resultierende Strom, der Photostrom, kann nachgewiesen werden und hängt von der Intensität des einfallenden Lichtes ab. Ist das Potential zwischen Anode und Kathode so groß, dass es die energiereichsten Elektronen nicht mehr durchlaufen können, stellt sich eine konstante Spannung ein.

Photozellen nutzen diesen Effekt aus.

Das kurzwellige Licht trifft auf eine gewölbte Metalplatte auf. Die Elektronen trennen sich vom Metal und werden durch die Ringelkatode aufgefangen.

Im Labor wurde der Fotoeffekt bestätigt. Dabei wurde der Versuch in einem Luftleeren Raum (Vakuum) durchgeführt, da sich sonst die Elektronen sofort wieder an Luftmolekühle binden würden. Da nun ein Elektronenfluß zwischen zwei Katoden besteht, entsteht eine Spannung. Diese wird mit dem Spannungsmessgerät V erfasst. Da das Spannungsmessgerät sehr hochohmig ist wird eine Zusatzschaltung benötigt. Dazu verwendet man ein sehr empfindliches Strommessgerät. Parallel an das Spannungsmessgerät wird eine Gleichspannung $U_{0}$ so angelegt das sie gegen den enstehenden Elektronenstrom gerichtet ist. Diese Gleichspannung wird dann so abgestimmt das gerade kein Strom mehr fließt. Ist dies der Fall gilt: $W_{kin}=e\cdot U_{0}$ (wobei $W_{kin}$ der kinetischen Arbeit der Elektronen entspricht).

Eine Messreihe mit verschiedenen Metallen, aufgetragen in einem f-W-Diagramm, ergibt immer eine Gleichung der Form $y=mx+b$ , wobei b der Austrittsarbeit der Elektronen entspricht. Die Steigung dieser Geraden ist in allen Messreihen gleich. Sie entspricht $[{\frac {\Delta W}{\Delta f}}]=Js$ . Der erste der diese Steigung erfolgreich messen konnte war Max Planck, nach dem diese Naturkonstante auch benannt wurde (plancksche Wirkungsquantum). Sie bekam der Formelzeichen $h$ und beträgt $6,62607\cdot 10^{-34}$ .

Aus dieser Messreihe interpretierte Einstein Licht als Teilchen (Photonen), deren Energie von der Frequenz des Lichtes abhängt: $E_{ph}=h\cdot f$ . Die kinetische Arbeit der Elektronen beträgt somit die Energie der Photonen, abzüglich der Austrittsarbeit die nötig ist um die Elektronen aus ihrer Elektronenhülle zu bekommen: $W_{kin}=E_{ph}-W_{A}=h\cdot f-W_{a}$ . Die Energie die benötigt wird um das Elektron aus seiner Hülle zu befördern wird wieder (Teilweise als Licht) freigegeben wenn Elektronen wieder den freien Platz in der Hülle besetzen. Dies ist auch der Grund warum Metalle farblich glänzen.

Innerer photoelektrischer Effekt

Dieser Effekt wird in Festkörpern beobachtet, bei denen die Elektronen im nichtleitenden Valenzband sind und nur eine schwache elektrische Leitung möglich ist. Durch Photonen werden Elektronen in ein energetisch höher gelegenes Leitungsband gehoben, so dass das Material unter Beleuchtung besser leitet.

Photoionisation (auch atomarer oder molekularer Fotoeffekt)

Werden die Atome oder Moleküle eines Gases durch kurzwellige Strahlung eines oder mehrerer ihrer Elektronen beraubt, spricht man von Photoionisation.

Photovoltaischer Effekt

Der photovoltaische Effekt basiert auf dem inneren photoelektrischen Effekt. Zusätzlich wird ein p-n-Übergang benötigt. An dem Übergang findet eine Ladungstrennung statt. Das entstehende elektrische Spannungsgefälle kann für die Wandlung der Strahlungsenergie in elektrische Energie genutzt werden.

Der Photovoltaische Effekt ist Grundlage von Solarzellen.

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