Photoelektrischer Effekt – kurz dargestellt, einfach erklärt

Was genau ist der Photoelektrische Effekt?

Kurz gesagt: Der Photoelektrische Effekt tritt dann ein, wenn Elektronen sich unter der Einwirkung von elektromagnetischer Strahlung aus dem Atom oder Atomverband lösen. Ein anderer Begriff ist Photoeffekt oder Hertz-Effekt. Dieser Effekt bezieht sich besonders auf Oberflächen aus Metall und ist damit auch für die Elektronik wichtig. In der klassischen Physik lässt sich dieser Effekt kaum erklären, weshalb hier die Quantentheorie einspringen muss. Der Effekt veranlasste Albert Einstein zur Verfassung seiner Lichtquantenhypothese, in der er beschrieb: Jedes Photon verfügt über eine gewisse Menge an Energie. Sobald ein Photon auf eine Metalloberfläche trifft, gibt es seine gesamte Energie an ein Metallelektron ab. Reicht die Energie zur Überwindung der Austrittsarbeit aus, dann verlässt das Elektron die Metalloberfläche.

Was sind Photonen?

Photonen sind Wechselwirkungsteilchen der elektromagnetischen Strahlung. Aus diesem Grund nennt man sie auch Lichtquant oder Lichtteilchen. Es handelt sich um ein Elementarteilchen ohne Masse, jedoch verfügen Photonen über Energie.

Was geschieht mit den Elektronen, wenn sie die Materie verlassen?

Generell unterscheidet man zwischen zwei Photoeffekten: Auf der einen Seite gibt es den äusseren Photoeffekt, auf der anderen den inneren Photoeffekt. Der äussere Photoeffekt wird auch als Photoemission und Hallwachs-Effekt bezeichnet. In diesem Fall können die Photonen in der Strahlung (UV-Strahlung, Infrarot oder sichtbares Licht) die Elektronen aus dem Metall komplett verdrängen. Sie geben ihre Energie an die Elektronen ab. Die Elektronen verfügen nun über kinetische Energie und treten aus. Experimente bezüglich des Photoelektrischen Effekts lassen sich etwa mit Halbleitern, metallischen Platten oder mit einer Kombination einer Kathode und einer Anode ausführen. Ob die Photonen in der Lage sind, die Elektronen aus der Platte zu drängen, hängt von der Wellenlänge, also von der Frequenz ab. Der messbare Austritt der Elektronen nennt sich Photostrom. Mithilfe einer Kathode und einer Anode kann er nachgewiesen werden, da bei einem Photostrom die Elektronen von der Kathode zur Anode wechseln. Die Kathode verfügt dann über eine positive Ladung und die Anode über eine negative Ladung. Ausserdem entsteht dabei eine Spannung.

Was ist die Gegenfeldmethode?

Die Gegenfeldmethode ist eine Methode zum Nachweis des äusseren Photoelektrischen Effekts. Damit lässt sich auch die Austrittsarbeit des Materials ermessen, aus der die Kathode besteht. Bei den Versuchen verwendet man eine Quecksilberdampflampe. Das Licht dieser Lampe wird durch einen Interferenzfilter oder einen Monochromator gefiltert und auf die Kathode gebündelt. Dabei ist ein Vakuum notwendig, damit die Oberfläche der Kathode vor Oxidation geschützt ist. Dann wird eine Spannung zwischen der Kathode und der Anode erzeugt. Ein empfindliches Amperemeter misst dann die dabei entstehende Gegenspannung aus dem Photostrom.

Was ist der innere Photoeffekt?

Der innere Photoeffekt beschreibt den Photoeffekt bei Halbleitern. Darunter versteht man auch die Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit von Halbleitermaterialien bei der Bestrahlung. Dabei kommen Elektron-Loch-Paare zum Einsatz. Durch die Bestrahlung vertreiben die Photonen die Elektronen aus einem Valenzband in ein höher gelegenes Leitungsband. Der Photovoltaische Effekt basiert auf diesem Prinzip. Es ist dieser Effekt, der die Umwandlung von Licht in Energie ermöglicht. Photodioden, auch Solarzellen genannt, machen sich den Photostrom zunutze und erzeugen dadurch elektrische Energie aus dem Licht der Sonne. Ohne diesen Effekt – und ohne die Entdeckung der Lichtquanten – gäbe es möglicherweise keine Solarenergie.

Welche Rolle spielt das Licht?

Der Grund, warum sich der Photoelektrische Effekt lange Zeit nicht erklären liess: Man stellte sich das Licht ganz klassisch als eine Welle dar. Eine Welle verfügt über eine Energie, die von ihrer Amplitude (Intensität) abhängt. Bei einer Bestrahlung von Materie durch eine Welle sollte normalerweise die Materie die Energie der Welle aufnehmen. Nach früherer Vorstellung entschied die Wellenlänge darüber, wie schnell die Materie die Energie aufnehmen würde. Kürzere Wellenlängen bedeuteten hohe Frequenzen und damit eine schnellere Energieabgabe. Allerdings stellte sich heraus, dass die Materie die Energie in der Strahlung sofort (instantan) aufnimmt.

Was geschieht mit der Energie in der Strahlung?

Das bisherige Modell des Lichts war demnach nicht geeignet, den Photoelektrischen Effekt zu beschreiben. Stattdessen führte Albert Einstein die Lichtquanten (Photonen) ein. Die Lichtquanten sind zählbare Teilchen und enthalten die Energie in der Strahlung des Lichts. Sie bewegen sich als eigenständige Teilchen und lassen sich nur als Ganzes absorbieren. Die Energie der Lichtquanten ist abhängig von der Wellenlänge. Sobald diese Lichtquanten auf Materie treffen, ersetzen sie die Elektronen und geben ihre Energie weiter. Ein Elektron absorbiert genau ein Photon. Das Photon oder Lichtquant gibt seine gesamt Energie ab und existiert dann nicht mehr.