Die Erforschung des
Photoeffekts spielte eine große Rolle in der Entwicklung der modernen
Physik. Dieser Effekt wurde 1887/88 von Heinrich Hertz und W. Hallwachs
entdeckt. Sie zeigten bestimmte Eigenschaften, die mit den Theorien
jener Zeit, in denen Licht und alle anderen Arten elektromagnetischer
Strahlung als Wellenerscheinung betrachtet wurden, nicht erklärt werden
konnten. Beispielsweise müssten nach der klassischen Wellentheorie die
Elektronen, die das Licht absorbieren, mit immer mehr Energie
freigesetzt werden, wenn das auf das Metall scheinende Licht intensiver
wird. Die Experimente ergaben jedoch, dass die größtmögliche Energie der
ausgestoßenen Elektronen nur von der Frequenz des einfallenden Lichtes
und nicht von seiner Intensität abhängt.
1905 stellte Albert Einstein bei einem Versuch, den äußeren
Photoeffekt zu erklären, die Theorie auf, dass sich Licht in manchen
Situationen wie Teilchen verhält und dass die Energie jedes
Lichtteilchens oder Photons nur von der Wellenlänge des Lichtes
abhängt. Um diesen Effekt zu erklären, beschrieb er Licht als eine
Ansammlung von Geschossen, die auf das Metall auftreffen. Ein freies
Elektron im Metall, das von einem Photon getroffen wird, absorbiert
die Energie des Photons. Wenn das Photon ausreichend Energie
besitzt, wird das Elektron vom Metall gelöst.
Eges
= hf= Ekin + EAustritt
Einsteins Theorie erklärte viele
Besonderheiten des externen photoelektrischen Effekts, z. B. warum die
maximale Energie der abgegebenen Elektronen von der Intensität des
einfallenden Lichtes unabhängig ist. Nach seiner Theorie hängt die maximale
Energie eines freigesetzten Elektrons nur von der Energie des freisetzenden
Photons ab, die wiederum nur von der Wellenlänge bzw. Frequenz des Lichtes
abhängt. Einsteins Theorie wurde später durch weitergehende Forschung
bestätigt. Seine Erklärung des Photoeffekts trug zusammen mit dem Beweis,
dass sich elektromagnetische Strahlung in manchen Situationen wie eine
Vielzahl von Teilchen verhält, zu der Entwicklung der Quantentheorie bei.
Für seine Arbeit zum photoelektrischen Effekt (und nicht etwa für die
Relativitätstheorie!) erhielt Einstein 1921 den Nobelpreis für Physik.
In den Animationen von
LEIFI ist Versuch zum Photoeffekt sehr gut dargestellt.
Die Zinkplatte auf dem Elektroskop wird positiv geladen
und anschließend mit Licht der Hg-Lampe bestrahlt.
Ergebnis: die Ladung der
Zinkplatte bleibt durch Bestrahlung unverändert.
Die Zinkplatte auf dem Elektroskop wird negativ geladen
und anschließend mit Licht der Hg-Lampe bestrahlt.
Ergebnis: die Ladung der
Zinkplatte nimmt mit zunehmender Bestrahlungsdauer ab.
Die Zinkplatte auf dem Elektroskop wird negativ geladen
und anschließend mit Licht der Hg-Lampe bestrahlt und eine Glasplatte
dazwischen gehalten.
Ergebnis: sobald die
Glasplatte im Strahlengang ist bleibt die Ladung der Zinkplatte
unverändert.
Qualitatives Ergebnis: Je
näher die Lampe, desto größer der Fotostrom.
Quantitatives Ergebnis:
Der Fotostrom ist indirekt proportional zum Quadrat des Abstands zur
Lichtquelle. Die Intensität einer Lichtquelle nimmt ebenfalls mit
1/r² ab. Daher ist der Fotostrom direkt proportional zur Intensität
des eingestrahlten Lichtes.
Das folgende Java-Applet simuliert einen Versuchsaufbau zur Bestimmung
des Planckschen Wirkungsquantums und der Austrittsarbeit: Aus dem Licht
einer Quecksilberdampflampe wird eine einzige Spektrallinie
herausgefiltert. Dieses Licht trifft auf die Kathode (K) einer Photozelle
und löst dort den Photoeffekt aus (oder auch nicht). Um die maximale
kinetische Energie der austretenden Elektronen zu bestimmen, wird mit
Hilfe einer Potentiometerschaltung eine Gegenspannung so weit erhöht, bis
die Elektronen nicht mehr an der Anode (A) ankommen. Das blaue Messgerät
zeigt den Wert dieser Gegenspannung an. Ob noch Elektronen die Anode
erreichen, ist an dem roten Messgerät erkennbar.
Auf der Schaltfläche lassen sich das Kathodenmaterial, die Wellenlänge
und die Gegenspannung einstellen. Die angegebenen Zahlenwerte beziehen
sich auf die Frequenz des Lichtes und die Energiebilanz beim Photoeffekt.
Die Messergebnisse werden links unten in ein Frequenz-Spannungs-Diagramm
eingezeichnet, können aber mit Hilfe des Buttons wieder gelöscht werden.
Eine der wichtigsten Funktionen der Haut ist der
Schutz des Körpers vor der schädigenden Wirkung der verbliebenen
UV-A- und UV-B-Strahlen. Um diese Funktion erfüllen zu können,
reagiert die Haut auf Sonnenbestrahlung durch Verdickung der
obersten Hautschicht (Epidermis) und Bräunung.
Aber was hat die
Hautbräunung mit dem Photoeffekt zu tun?
Es ist heutzutage
allgemein bekannt, dass die haut nur von den energiereichen UV
Strahlen gebräunt wird. Interessanterweise wird dies kommentarlos
akzeptiert. Eigentlich sollte es doch zu großer Verwunderung führen,
dass eine gleich große Energiemenge sichtbaren Lichts diese Bräunung
nicht hervorruft!
Wie beim Photoeffekt
müssen hier die Photonen selber eine gewisse Energiemenge mit sich
tragen um den chemischen Prozess der Hautbräunung überhaupt
auszulösen.
Ohne
zu tief ins Detail einzusteigen werden bei einer Photozelle
vereinfacht durch energiereiches Licht Elektronen ausgelöst. Diese
wandern zu negativen Elektrode und bauen so ein Gegenfeld auf. Ist
die zur Überwindung Gegenspannung notwendige kinetische Energie der
Elektronen zu klein verbleiben sie in der Photozelle. Eine
Photozelle hat daher im Leerlauf eine Maximalspannung. Wird ein
Verbrauche angeschlossen fließen die Elektronen von der negativen
Elektrode durch den Verbraucher zur positiven Elektrode und die
Gegenspannung sinkt. Durch den Photoeffekt ausgelöste neue
Elektronen können nun wieder die negative Elektrode erreichen. Die
Solarzelle liefert Strom.
Hinweis: in der Animation scheinen
positive Ladungen zu wandern. Dies ist physikalisch nicht der Fall,
da Elektronen nachrücken und an ihrer ursprünglichen Stelle eine
positive Ladung hinterlassen. Dies sieht dann so aus, als ob
positive Ladungen wandern.
Ohne
zu tief ins Detail einzusteigen werden bei einer Photozelle
vereinfacht durch energiereiches Licht Elektronen ausgelöst. Diese
wandern zu negativen Elektrode und bauen so ein Gegenfeld auf. Ist
die zur Überwindung Gegenspannung notwendige kinetische Energie der
Elektronen zu klein verbleiben sie in der Photozelle. Eine
Photozelle hat daher im Leerlauf eine Maximalspannung. Wird ein
Verbrauche angeschlossen fließen die Elektronen von der negativen
Elektrode durch den Verbraucher zur positiven Elektrode und die
Gegenspannung sinkt. Durch den Photoeffekt ausgelöste neue
Elektronen können nun wieder die negative Elektrode erreichen. Die
Solarzelle liefert Strom.