„Photoelektrischer Effekt“ – Versionsunterschied

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[[Datei:DBP 1979 1019 Albert Einstein Lichtelektrischer Effekt.jpg|mini|Sonderbriefmarke „Lichtelektrischer Effekt“ in Einsteins 100. Geburtsjahr. ([[Briefmarken-Jahrgang 1979 der Deutschen Bundespost]])]]
Unter der Bezeichnung '''photoelektrischer Effekt''' (auch '''lichtelektrischer Effekt''' oder kurz '''Photoeffekt''') werden drei nah verwandte, aber unterschiedliche Prozesse der [[Photon#Wechselwirkung von Photonen mit Materie|Wechselwirkung von Photonen mit Materie]] zusammengefasst. In allen drei Fällen wird ein [[Elektron]] aus einer Bindung – z. B. in einem [[Atom]] oder im [[Valenzband]] oder im [[Leitungsband]] eines Festkörpers – gelöst, indem es ein [[Photon]] [[Absorption (Physik)|absorbiert]]. Die Energie des Photons muss dazu mindestens so groß wie die [[Bindungsenergie]] des Elektrons sein.
 
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[[Wilhelm Hallwachs (Physiker)|Wilhelm Hallwachs]], damals Assistent von [[Gustav Heinrich Wiedemann|Gustav Wiedemann]] in Leipzig, führte weitere systematische Untersuchungen durch (daher auch die Bezeichnung ''Hallwachs-Effekt''). Dabei zeigte er z.&nbsp;B. mit einem „Goldblattelectroskop“<!--sic!--> (siehe Abbildung rechts), dass sich eine Metallplatte durch Bestrahlung mit einer Lichtbogenlampe elektrisch aufladen ließ.<ref name="Hallwachs1888">{{Literatur |Autor=Wilhelm Hallwachs |Titel=Ueber den Einfluss des Lichtes auf electrostatisch geladene Koerper |Sammelwerk=Annalen der Physik und Chemie |Band=269 |Nummer=2 |Datum=1888 |Seiten=301–312 |DOI=10.1002/andp.18882690206}}</ref><ref name="Hallwachs1888a">{{Literatur |Autor=Wilhelm Hallwachs |Titel=Ueber die Electrisirung von Metallplatten durch Bestrahlung mit electrischem Licht |Sammelwerk=Annalen der Physik und Chemie |Band=270 |Nummer=8A |Datum=1888 |Seiten=731–734 |DOI=10.1002/andp.18882700809}}</ref>
 
[[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>
 
=== Gegenfeldmethode ===
Die Gegenfeldmethode ist hilfreich für Demonstrationsversuche zum äußeren Photoeffekt oder auch zur Bestimmung der Austrittsarbeit des (bei diesem Versuchsaufbau) als KathodeAnode verwendeten Materials.
 
[[Datei:Photoeffekt gegenfeldmethode neu.svg|mini|Versuchsaufbau bei der Gegenfeldmethode. Licht trifft auf die Kathode einer Photozelle und löst Elektronen aus dem Metall. Diese werden von der Anode aufgefangen.]]
Aus dem Licht einer [[Quecksilberdampflampe]] wird durch einen [[Interferenzfilter]] oder einen [[Monochromator]] ein schmaler Wellenlängenbereich gefiltert und (gegebenenfalls durch eine Linse) auf die Kathode (im Bild rot) einer Vakuum-[[Photozelle]] gebündelt. Vakuum ist erforderlich, damit die mittlere [[freie Weglänge]] der ausgetretenen Elektronen ausreicht, um die Anode zu erreichen. Eine Spannung <math>U_0</math> kann zwischen den beiden Elektroden angelegt werden.<ref name="Milikan1916" /><ref>{{Internetquelle |url=https://ap.physik.uni-konstanz.de/AP-public/Anleitungen/Photoeffekt.pdf |titel=h-Bestimmung mit dem Photoeffekt |werk=Physikalisches Anfängerpraktikum der Universität Konstanz |hrsg=Universität Konstanz |datum=2009-07-16 |format=PDF |abruf=2012-01-21}}</ref>
 
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" />
 
==== Bestimmung von ''h'' und der Austrittsarbeit ====
[[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]]
 
Wird <math>e\cdot U_0</math> gegen die Frequenz aufgetragen, entsprechen die Steigung der Planckschen Konstante ''h'' und der y-Achsenabschnitt der Austrittsarbeit an der Anode <math>W_A</math>.
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>,
ungefähr dem Planckschen Wirkungsquantum. Wird <math>e\cdot U_0</math> gegen die Frequenz aufgetragen, wie dies oft der Fall ist, so entspricht der y-Achsenabschnitt der Austrittsarbeit an der Anode <math>W_A</math>. Trägt man jedoch die Energie der Elektronen an der Kathode gegen die Frequenz auf, so entspricht der y-Achsenabschnitt der Austrittsarbeit <math>W_K</math>. Die zugrunde liegenden Formeln sehen wie folgt aus:
und einem y-Achsenabschnitt
:<math>W_A \approx 4{,}3 \, \mathrm{eV}</math>.
 
ungefähr dem Planckschen Wirkungsquantum. Wird <math>e\cdot U_0</math> gegen die Frequenz aufgetragen, wie dies oft der Fall ist, so entspricht der y-Achsenabschnitt der Austrittsarbeit an der Anode <math>W_A</math>. Trägt man jedoch die Energie der Elektronen an der Kathode gegen die Frequenz auf, so entspricht der y-Achsenabschnitt der Austrittsarbeit <math>W_K</math>. Die zugrunde liegenden Formeln sehen wie folgt aus:
<math>e\cdot U_0= h\cdot f -W_A
</math>
 
: <math>E_{e,K}\cdot U_0= h\cdot f -W_K\;.W_A
</math>
: <math>E_{e\cdot U_0,K}= h\cdot f -W_AW_K\;.
</math>
 
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</math> die Austrittsarbeit an der Kathode.<ref name=":1" />
 
=== Deutungsprobleme der Versuche im Rahmen der Wellenvorstellung ===
 
In den eben beschriebenen Versuchen können folgende Beobachtungen gemacht werden:
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=== Deutung und Bedeutung des Phänomens ===
 
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: />
 
{{Zitat
Der damit gefundene scheinbare Widerspruch, dass Licht in bestimmten Experimenten Wellen-, in anderen aber Teilchenverhalten zeigt ([[Welle-Teilchen-Dualismus]]), wurde erst durch die [[Quantenmechanik]] aufgelöst. Der photoelektrische Effekt war eines der Schlüsselexperimente zur Begründung der [[Quantenphysik]]. Einstein wurde 1921 für die Erklärung des Effekts mit dem [[Nobelpreis für Physik]] ausgezeichnet.
|Text=Monochromatische Strahlung von geringer Dichte […] verhält sich in wärmetheoretischer Beziehung so, wie wenn sie aus voneinander unabhängigen Energiequanten von der Größe <math>R \beta \nu / N \quad[ = h\nu ]</math> bestünde.
|Sprache=de
|Autor=Albert Einstein
|Quelle=
|ref=<ref name="Einstein1905"/>
}}
 
Mit Hilfe dieser [[Lichtquantenhypothese]] konnte Einstein zunächst den Zusammenhang zwischen der Frequenz des Lichts und der Energie des Lichtquants erklären, und darauf aufbauend auch alle weiteren experimentellen Beobachtungen. Jedoch blieb die Lichtquantenhypothese umstritten, so dass Einstein erst 1921 für seine Erklärung des Effekts mit dem [[Nobelpreis für Physik]] ausgezeichnet wurde.
Mit der Entwicklung der Quantentheorie des Lichts in den 1960er Jahren war es möglich, den Photoeffekt semi-klassisch zu erklären: Eine klassische elektromagnetische Welle wechselwirkt dabei mit dem quantisierten Detektor. Der Photoeffekt ist somit kein eindeutiger Nachweis für die Quantennatur von Licht.<ref>Marlan O. Scully, Willis E. Lamb Jr.: ''The photoelectric effect without photons.'' In: ''Polarisation matière et rayonnement.'' 1969, S. 363–369.</ref><ref>{{Literatur |Autor=Stephen Klassen |Titel=The Photoelectric Effect: Reconstructing the Story for the Physics Classroom |Sammelwerk=Sci & Educ |Band=20 |Nummer= |Datum=2011 |Seiten=719–731 |Online=[https://link.springer.com/article/10.1007/s11191-009-9214-6 online] |Abruf=2021-07-28 |DOI=10.1007/s11191-009-9214-6}}</ref>
 
MitDer für die Anschauung offenbare Widerspruch, dass Licht in bestimmten Experimenten Wellen-, in anderen aber Teilchenverhalten zeigt, wurde ab 1926 in der Entwicklung[[Wellenmechanik]] und ab 1928 in der Quantentheorie[[Quantenelektrodynamik]] deszum Lichtsallgemeinen [[Welle-Teilchen-Dualismus]] vertieft. Der photoelektrische Effekt wurde zu einem der Schlüsselexperimente zur Begründung der [[Quantenphysik]]. Allerdings wurde in den 1960er Jahren wareine esMöglichkeit möglichentdeckt, den Photoeffekt semi-klassisch zu erklären: Eine klassische elektromagnetische Welle wechselwirkt dabei mit dem quantisierten Detektor. Der Photoeffekt allein ist somit noch kein eindeutiger Nachweis für die Quantennatur von Licht.<ref>Marlan O. Scully, Willis E. Lamb Jr.: ''The photoelectric effect without photons.'' In: ''Polarisation matière et rayonnement.'' 1969, S. 363–369.</ref><ref>{{Literatur |Autor=Stephen Klassen |Titel=The Photoelectric Effect: Reconstructing the Story for the Physics Classroom |Sammelwerk=Sci & Educ |Band=20 |Nummer= |Datum=2011 |Seiten=719–731 |Online=[https://link.springer.com/article/10.1007/s11191-009-9214-6 online] |Abruf=2021-07-28 |DOI=10.1007/s11191-009-9214-6}}</ref>
 
=== Anwendungen ===
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.
 
== Innerer photoelektrischer Effekt ==
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{{Siehe auch|Geschichte der Photovoltaik}}
 
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.
 
Großflächige Photodioden ([[Solarzelle]]n) dienen der Wandlung der Strahlungsenergie der Sonne in elektrische Energie.
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[[Datei:Ionisationswirkungsquerschnitt.svg|mini|Ionisationswirkungsquerschnitt als Funktion der Photonenenergie (schematisch) mit Absorptionskanten]]
 
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:
 
:<math>\sigma \propto Z^5E_\gamma^{-3,5}\;.</math>
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Die Messung der Leitfähigkeit der Luft wurde zum erstmaligen Nachweis der kosmischen Herkunft eines Teiles der natürlichen Radioaktivität herangezogen, indem sie bei Ballonaufstiegen gemessen wurde: die [[kosmische Strahlung]] erzeugt Schauer ionisierender Teilchen und teilweise radioaktive [[Spallation]]sprodukte.
 
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.
 
== Siehe auch ==
* [[Photoelektronenspektroskopie]]
* [[Auger-Elektronen-Spektroskopie]]
* [[Dember-Effekt]]
* [[Photoelektromagnetischer Effekt]]
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== Einzelnachweise ==
<references />
 
{{Normdaten|TYP=s|GND=4174487-1|LCCN=sh85101170|NDL=00566101}}
 
[[Kategorie:Theoretische Elektrotechnik]]