„Photoelektrischer Effekt“ – Versionsunterschied

[[Philipp Lenard]] untersuchte als ersterErster den Photoeffekt im [[Hochvakuum]].<ref name="Lenard1900">{{Literatur |Autor=P. Lenard |Titel=Erzeugung von Kathodenstrahlen durch ultraviolettes Licht |Sammelwerk=Annalen der Physik |Band=307 |Nummer=6 |Datum=1900 |Seiten=359–375 |DOI=10.1002/andp.19003070611}}</ref> Er konnte 1899 durch Ablenkung der Ladungsträger im Magnetfeld ihre [[spezifische Ladung]] bestimmen und sie so als Elektronen identifizieren. Er entdeckte, dass die obenkinetische beschriebenenEnergie Abhängigkeitender herausgelösten Elektronen unabhängig von der FrequenzLichtintensität ist<ref>{{Literatur |Autor=Philipp Lenard |Titel=Ueber die Lichtelektrische Wirkung |Sammelwerk=Annalen der Physik |Nummer=313(5) |Datum=1902 |DOI=10.1002/andp.19023130510 |Seiten=149–198 |Zitat=25. Die Anfangsgeschwindigkeiten sind unabhängig von der Lichtintensität.}}</ref> und dass die Intensität lediglich die Anzahl der Bestrahlungsstärkeherausgelösten Elektronen beeinflusst.<ref>{{Literatur |Autor=Philipp Lenard |Titel=Ueber die Lichtelektrische Wirkung |Sammelwerk=Annalen der Physik |Nummer=313 |Datum=1902 |DOI=10.1002/andp.19023130510 |Seiten=149–198 |Zitat=14. Die in der Zeiteinheit ausgestrahlte Menge ist der wirkenden Lichtintensität proportional.}}</ref> [[Albert Einstein]] lieferte 1905 in § 8 seiner Arbeit ''Ueber einen die Erzeugung und Verwandlung des Lichtes betreffenden [[Heuristik|heuristischen]] Gesichtspunkt'', für die er den Nobelpreis für Physik des Jahres 1921 erhielt, die Erklärung des Effekts.<ref name="Einstein1905">{{Literatur |Autor=A. Einstein |Titel=Ueber einen die Erzeugung und Verwandlung des Lichtes betreffenden heuristischen Gesichtspunkt |Sammelwerk=Annalen der Physik |Band=322 |Nummer=6 |Datum=1905 |Seiten=132–148 |Online=http://www.physik.uni-augsburg.de/annalen/history/einstein-papers/1905_17_132-148.pdf |DOI=10.1002/andp.19053220607}}</ref> [[Robert Andrews Millikan]] konnte ab 1912 bis 1915 mit Hilfe der Gegenfeldmethode (siehe unten) bestätigen, dass der Proportionalitätsfaktor der einsteinschen Gleichung mit dem bereits bekannten [[Plancksches WirkungsquantumPlanck-Konstante|Planckschen Wirkungsquantum]] übereinstimmt.<ref name="Milikan1916">{{Literatur |Autor=R. Millikan |Titel=A Direct Photoelectric Determination of Planck's "h" |Sammelwerk= [[Physical Review]] |Band=7 |Nummer=3 |Datum=1916-03 |Seiten=355–388 |Online=http://mapageweb.umontreal.ca/leonelli/PHY3320/millikan.pdf |DOI=10.1103/PhysRev.7.355}}</ref>

Die Gegenfeldmethode ist hilfreich für Demonstrationsversuche zum äußeren Photoeffekt oder auch zur Bestimmung der Austrittsarbeit des (bei diesem Versuchsaufbau) als KathodeAnode verwendeten Materials.

Wird die Kathode mit Licht ausreichend kurzer Wellenlänge bestrahlt, so werden dort Elektronen „herausgeschlagen“ und besitzen eine kinetische Energie <math>E_\mathrm{kin}</math>. Die Photozelle wird zur Stromquelle und der fließende ''Photostrom'' <math>I_\mathrm{phot}(U_0)</math> kann mit einem empfindlichen [[Amperemeter]] gemessen werden. Wird nun eine Gegenspannung <math>U_0</math> angelegt, so müssen Elektronen, die die Anode erreichen und zu einem Photostrom führen, neben der [[Austrittsarbeit]] <math>W_K</math> der (positiv vorgespannten) Kathode sowie der Austrittsarbeit der (negativ vorgespannten) Anode <math>W_A</math> auch das dadurch erzeugte elektrische Feld überwunden haben.<ref name=":0" />

Die Gegenspannung <math>U_0(f)</math>, ab der jeweils kein Photostrom mehr fließt, kann für verschiedene Frequenzen <math>f</math> des Lichts ermittelt werden; bei dieser Spannung ist die Potentialdifferenz <math>E_\mathrm{pot} = e\cdot U_0</math>, die die Elektronen (elektrische Ladung [[Elementarladung|<math>e</math>]]) überwinden müssen, gleich der maximalen kinetische Energie der Elektronen <math>E_\mathrm{kin}</math> nach ihrem Austritt aus der Kathode. Nimmt man an, dass die Energie des Lichts nur durch Energiequanten mit der Energie <math>E = h \cdot f</math> (mit dem Planckschen Wirkungsquantum <math>h</math>) an die Elektronen übertragen wird, kann man aus der Steigung der gemessenen Geraden <math>e \cdot U_0(f)</math> das Wirkungsquantum <math>h</math> bestimmen (siehe auch Millikan<ref name="Milikan1916" />). Auch die Austrittsarbeit <math>W_A</math> kann bestimmt werden. Entgegen der weitläufigen Meinung, dass es sich hierbei um die Austrittsarbeit an der Kathode (dort wo die Elektronen herausgelöst werden) handelt, bezeichnet dies hier die Austrittsarbeit der Anode.<ref>{{Internetquelle |autor=Martin Buchhold, regionaler Fachberater Physik Koblenz-Nord |url=http://rfb.bildung-rp.de/fileadmin/_migrated/content_uploads/Fehlerhafte_Bestimmung_der_Abloesearbeit_mit_der_Gegenfeldmethode.pdf |titel=Fehlerhafte Bestimmung der Ablösearbeit mit der Gegenfeldmethode |datum=2013-07 |format=PDF |sprache=de |abruf=2021-04-18}}</ref><ref name=":1">{{Internetquelle |autor=Universität Bremen |url=https://www.uni-bremen.de/fileadmin/user_upload/fachbereiche/fb1/fb1/Physika/Versuche/Atomphysik/Anleitung/a3_photoeffekt_05_12_13.pdf |titel=Photoeffekt |format=PDF |sprache=de |abruf=2021-04-18}}</ref><ref name=":0">{{Literatur |Autor=R. von Baltz, F. Herrmann und M. Pohlig |Titel=Altlasten der Physik (115): Der photoelektrische Effekt |Sammelwerk=Praxis der Naturwissenschaften: Physik in der Schule |Band=6 |Nummer=58 |Datum=2009-08-12 |Seiten=47 bis 49 |Online=[https://www.pohlig.de/Veroeffentlichungen/Artikel/Photoeffekt.pdf online]}}</ref> Dies scheint auf den ersten Blick nicht unmittelbar einleuchtend, ergibt sich aber aus der Berechnung der Potentialniveaus an Kathode und Anode (die aus unterschiedlichen Materialien bestehen) und dem anschließenden Aufstellen der Energiebilanz unter Berücksichtigung des [[Kontaktelektrizität|Kontaktpotentials]].<ref name=":0" />

[[Datei:Photoelectric effect diagram.svg|mini|Diagramm der kinetischenzur Gegenspannung proportionalen Energie der Elektronen in Abhängigkeit von der Frequenz des Lichts bei einer PhotokathodeAnode aus Zink. Der sichtbare Frequenzbereich des Lichtes ist als Spektrum eingetragen]]

Die Abbildung rechts wurde mit einer Zink-FotokathodeAnode gewonnen. Die roten Punkte sind die mit der Gegenfeldmethode gewonnenen Energiewerte bei vier verschiedenen diskreten Lichtfrequenzen. DieSie Punkteliegen wurdenauf zureiner eingetragenenGeraden Gerademit [[Interpolation (Mathematik)Steigungsdreieck|interpoliert]] bzw. extrapoliert. Die Steigung im Diagramm ergibt sich mit Hilfe des [[Steigungsdreieck]]s zu

:<math>h = \frac{\Delta E}{\Delta f} = \frac{4{,}3\, \mathrm{eV}}{10{,}4 \cdot 10^{14}\,\mathrm{Hz}} = \frac{4{,}3 \cdot 1{,}6 \cdot 10^{-19}\,\mathrm{J}}{10{,}4 \cdot 10^{14}\,\mathrm{Hz}} \approx 6{,}6 \cdot 10^{-34}\,\mathrm{Js}</math>,

: <math>E_{e,K}\cdot U_0= h\cdot f -W_K\;.W_A

=== Deutungsprobleme der Versuche im Rahmen der Wellenvorstellung ===

Physiker wie [[Isaac Newton]] hatten zwar schon angenommen, dass Licht aus Teilchen, sogenannten [[Korpuskeltheorie|Korpuskeln]], besteht<!--, die von Newton aufgestellte [[Korpuskeltheorie]] ging allerdings im Gegensatz zur modernen Quantenphysik von materiellen Teilchen aus Das versteht omA wohl nicht, in welcher Hinsicht die Photonen als nicht materiall bezeichnet werden...-->. Spätestens Ende des 19. Jahrhunderts galt die Vorstellung von Lichtteilchen allerdings als überholt, da zum einen [[JamesInterferenz Clerk Maxwell(Physik)|MaxwellsInterferenzexperimente]] Elektrodynamikden LichtWellencharakter alsdes elektromagnetischeLichts Welleunzweifelhaft auffasstebelegten und in Übereinstimmung damit [[InterferenzJames Clerk (Physik)Maxwell|InterferenzexperimenteMaxwells]] denElektrodynamik WellencharakterLicht desals Lichtselektromagnetische unzweifelhaftWelle belegtenauffasste.

[[Albert Einstein|Einsteins]] Erklärung des photoelektrischen Effekts durch Lichtteilchen 1905 war vor diesem Hintergrund eine mutige [[Hypothese]]., Grundlagezu warder die [[Plancksches Wirkungsquantum#her unddurch die Lichtquanten|plancksche Strahlungshypothese]] aus dem Jahre 1900, nachAnalyse der dasstatistischen LichtSchwankungen aus einem Strom von Teilchengeführt bestehtwurde, den ''Photonen'', deren Energie <math>E</math>die daser Produkttheoretisch aus der Frequenz <math>f</math> des Lichts und dem planckschenPlanckschen WirkungsquantumGesetz <math>h</math>für istdie (<math>E = h \cdot f</math>). Mit Hilfe dieser Annahme lässt sich zunächst der Zusammenhang zwischen der Frequenz und der kinetischen Energie des (zunächst als Teilchen mit Masse gedachten) Photons erklären, darauf aufbauend auch alle weiteren experimentellen[[Wärmestrahlung]] Beobachtungen.<refableiten name="Einstein1905"konnte: />

Verschiedene physikalische Geräte, wie [[Photozelle]]n und Photokathoden von [[Photomultiplier]]n und [[Restlichtverstärker|Bildwandlerröhren]], sowie eine wichtige oberflächenphysikalische Messmethode, die [[Photoelektronenspektroskopie]], nutzen den photoelektrischen Effekt aus. Dabei werden [[photoelektrische Messverfahren]] angewendet.

Der photovoltaische Effekt basiert ebenfalls auf dem inneren photoelektrischen Effekt; er tritt bei dotierten Halbleitern auf, die eine [[Photodiode]] bilden. Ladungsträgerpaare, dievon indenen der Minoritätsladungsträger in die [[Raumladungszone]], also amdes [[p-n-Übergang]]s einer [[Photodiode]]diffundiert, oder die unmittelbar in der Raumladungszone entstehen, werden in p- und n-Schicht getrennt. Dabei gehen die Elektronen in die n-Schicht und die Löcher in die p-Schicht über, und es entstehtwodurch ein Strom gegenentgegen dieder Durchlassrichtung des Übergangs entsteht. Dieser Strom wird Photostrom genannt.

Der [[Wirkungsquerschnitt]] <math>\sigma</math>, also die Wahrscheinlichkeit für das Eintreten der Photoionisation, hängt von der [[Photonenenergie]] <math>E_\gamma</math> und der [[Ordnungszahl]] <math>Z</math> des Materials ab:

Es gibt auch einen [[Kernphotoeffekt]], bei dem ein sehr energiereiches Gamma-Quant im Atomkern absorbiert wird und mit einer [[Kernreaktion]] ein [[Neutron]], [[Proton]] oder [[Alphastrahlung|Alphateilchen]] freisetzt. Dies wird auch als (γ,n)-, (γ,p)- beziehungsweise (γ,α)-Reaktion bezeichnet.