„Photoelektrischer Effekt“ – Versionsunterschied
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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. 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
=== Gegenfeldmethode ===
Die Gegenfeldmethode ist hilfreich für Demonstrationsversuche zum äußeren Photoeffekt oder auch zur Bestimmung der Austrittsarbeit des (bei diesem Versuchsaufbau) als
[[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
==== Bestimmung von ''h'' und der Austrittsarbeit ====
[[Datei:Photoelectric effect diagram.svg|mini|Diagramm der
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-
:<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>.
▲
<math>e\cdot U_0= h\cdot f -W_A▼
</math>▼
: <math>
▲</math>
</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 [[
[[Albert Einstein|Einsteins]] Erklärung des photoelektrischen Effekts durch Lichtteilchen 1905 war vor diesem Hintergrund eine mutige [[Hypothese]]
{{Zitat
|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>▼
▲
=== 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
== 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,
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]]
* [[Dember-Effekt]]
* [[Photoelektromagnetischer Effekt]]
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== Einzelnachweise ==
<references />
{{Normdaten|TYP=s|GND=4174487-1|LCCN=sh85101170|NDL=00566101}}
[[Kategorie:Theoretische Elektrotechnik]]
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