Photoelektrischer Effekt

Unter dem Begriff Photoelektrischer Effekt bzw. 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. Der Photovoltaische Effekt ist Grundlage von Solarzellen.

In allen Fällen wird die Energie eines Photons auf ein Elektron übertragen. Je nach dem Zustand dieses Elektrons vor der Energieübertragung und seiner Wirkung nach der Energieübertragung unterscheidet man die vier Arten des photoelektrischen Effektes.

Äußerer photoelektrischer Effekt

SchemaFotoeffekt.png

Unter dem äußeren photoelektrischen Effekt, auch Photoeffekt, Hallwachseffekt oder lichtelektrischer Effekt genannt, versteht man das Freisetzen von Elektronen aus einer Metalloberfläche, die von elektromagnetischer Strahlung (etwa Licht oder Ultraviolettstrahlung) getroffen wird.

Geschichte

Der lichtelektrische Effekt wurde 1886 von Heinrich Hertz erstmals beobachtet und von dessen Assistenten Wilhelm Hallwachs systematisch untersucht (1887 Hallwachseffekt). Unoxidierte Metalloberflächen geben im negativ aufgeladenen Zustand Elektronen ab, wenn ihre Oberfläche durch Licht bestrahlt wird. Die kinetische Energie der frei werdenden Elektronen hängt von der Frequenz (und damit von der Farbe) des Lichtes ab, aber nicht von dessen Intensität. Dies stand im Gegensatz zur Vorstellung von Licht als Wellenerscheinung, da in der klassischen Physik die Energie einer Welle von deren Amplitude und nicht von der Frequenz abhängt.

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. Einstein wurde 1921 für diese Arbeit mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet.

Schon Isaac Newton hatte angenommen, dass Licht aus Teilchen besteht. Die von ihm aufgestellte Korpuskeltheorie ging allerdings im Gegensatz zur modernen Quantenphysik von materiellen Teilchen aus. Im 19. Jahrhundert galt die Vorstellung von Lichtteilchen als überholt, da Interferenzexperimente in Übereinstimmung mit Maxwells Elektrodynamik, die Licht als elektromagnetische Welle auffasste, den Wellencharakter des Lichts belegten. Einsteins Erklärung des fotoelektrischen Effekts war vor diesem Hintergrund eine mutige Hypothese. Der damit geschaffene scheinbare Widerspruch, dass Licht in bestimmten Experimenten Wellen-, in anderen aber Teilchenverhalten zeigt (Welle-Teilchen-Dualismus), wurde erst durch die Quantenmechanik aufgelöst.

Photoeffekt-feyn.png zum Photoeffekt: Ein elektrisch an ein Atom "Z" gebundenes Elektron tritt in Wechselwirkung mit einem Photon und ändert dabei seine Energie]]

Einstein erklärte den Effekt durch die Übergabe der gesamten Energie eines Photons an ein Leitungselektron im Metall. Leitungselektronen sind nicht an einzelne Atome gebunden, sondern im Metall frei beweglich; auf ihnen beruht die elektrische Leitfähigkeit der Metalle. Zum Verlassen der Metalloberfläche muss dem Elektron jedoch ein vom Material abhängiger Energiebetrag, die Austrittsarbeit zugeführt werden. Soll dies durch Photonenstoß geschehen, muss also das Photon mindestens diese Energie enthalten. Einstein zeigte, dass die experimentellen Ergebnisse für verschiedene Metalle mit der Annahme erklärt werden konnten, dass die Energie E des Photons proportional seiner Frequenz f ist: $E = h \cdot\ \! \! \! f$ . Die Proportionalitätskonstante h – offensichtlich eine Größe der Dimension "Energie geteilt durch Frequenz" oder "Energie mal Zeit" – ist das Plancksche Wirkungsquantum, das von Max Planck fünf Jahre zuvor als neue Naturkonstante zur Erklärung der Frequenzabhängigkeit der Wärmestrahlung eingeführt worden war. Einstein zeigte damit als Erster, dass diese Konstante eine viel allgemeinere Bedeutung hat.

Besitzt das Photon mehr als die Mindestenergie, erhält das Elektron den Überschuss als kinetische Energie. Die maximale kinetische Energie ist durch die maximale Lichtfrequenz ''f_max gegeben:

$E_{kin\,max} = h \cdot\ \! \! \! f_{max} - W_A$ (Einstein-Gleichung; $W_A$ ist die materialabhängige Austrittsarbeit)

Die freigesetzten Elektronen erzeugen eine von der Lichtwellenlänge abhängige Ladungstrennung, die zum Aufbau einer Spannung führt. 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.

Demonstrationsversuch

Versuch zum Fotoeffekt.png Der Versuch muss im Vakuum durchgeführt werden, da sonst die Elektronen durch Stöße sehr schnell abgebremst würden. Die aufgebaute Spannung wird mit dem hochohmigen Spannungsmessgerät V erfasst. Parallel zum Spannungsmessgerät wird eine Gleichspannung U₀ so angelegt, dass sie gegen den entstehenden Elektronenstrom gerichtet ist. Diese Gleichspannung wird dann so abgestimmt, dass gerade kein Strom mehr fließt. Ist dies der Fall, gilt: E_kin = e U₀, wobei

E_{kin}

die kinetische Energie der Elektronen und e die Elektronenladung ist.

Messungen mit verschiedenen Metallen, aufgetragen in einem f-E-Diagramm, ergeben immer Zusammenhänge der Form E = h f – W_A, also Geraden mit der Steigung h.

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. Siehe auch Artikel Fotoleitung.

Photoionisation (auch atomarer oder molekularer Fotoeffekt)

Werden die Atome oder Moleküle z.B. eines Gases durch kurzwellige Strahlung eines oder mehrerer ihrer Elektronen beraubt, spricht man von Photoionisation. Hierher gehört auch diejenige Wechselwirkung von Röntgen- oder Gammastrahlung mit Materie, bei der das Photon absorbiert wird, indem es seine (fast) gesamte Energie an ein Atomelektron abgibt. Dieser Prozess, wichtig z.B. in Detektoren für solche Strahlung, wird in der Kernphysik meist einfach als Photoeffekt bezeichnet.

Der Wirkungsquerschnitt $\sigma$ für die Photoionisation hängt ab von der Photonenenergie $E_\gamma$ und der Ordnungszahl Z des Materials, und zwar ist er näherungsweise proportional zu der fünften Potenz der Ordnungszahl:

$\sigma \propto Z^5E_\gamma^{-7/2}$

Das bedeutet, dass Materialien mit hoher Ordnungszahl besonders gut Röntgen- und Gammastrahlung absorbieren. Zum Beispiel ist Blei ( $Z=82$ ) wesentlich besser zur Abschirmung von Röntgenstrahlung geeignet als Aluminium ( $Z=13$ ).

Es gibt auch die Bezeichnung Kernphotoeffekt für Kernreaktionen, bei denen ein Photon absorbiert und ein Neutron, Proton oder Alphateilchen freigesetzt wird.

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.

Weblinks

Interaktiv bedienbare Darstellung des Experiments
http://www.walter-fendt.de/ph14d/photoeffekt.htm
Photoeffekt, Photonenhypothese mit interaktiven Experimenten (Universität Ulm)
Flash-Animation einer bestrahlten Fotozelle (zum Abspielen des Filmes Enter-Taste drücken)

Theoretische Elektrotechnik | Physik