Photoelektrischer Effekt

Der photoelektrische Effekt, auch lichtelektrischer Effekt, Photoelektrizität oder kurz Photoeffekt genannt, ist ein physikalisches Phänomen, das auftritt, wenn Licht auf die Oberfläche eines Materials trifft und Elektronen aus dem Material herauslöst. Dieser Effekt tritt nur auf, wenn Licht einer ausreichenden Frequenz (oder Energie) auf die Oberfläche eines Metalls oder eines anderen leitenden Materials trifft, wodurch Elektronen aus der Oberfläche herausgelöst werden und einen elektrischen Strom erzeugen.

Entdeckung

Der photoelektrische Effekt wurde erstmals von Heinrich Hertz im Jahr 1887 entdeckt. Heinrich Hertz war ein deutscher Physiker, der bedeutende Beiträge zur Theorie des Elektromagnetismus leistete und insbesondere die Existenz elektromagnetischer Wellen experimentell nachwies. Während seiner Untersuchungen der elektromagnetischen Wellen bemerkte Hertz, dass die Funkenentladung zwischen zwei Elektroden in einer Vakuumröhre leichter auftrat, wenn die Elektroden von ultraviolettem Licht beleuchtet wurden. Dies war die erste Beobachtung des photoelektrischen Effekts, obwohl Hertz zu dieser Zeit das Phänomen nicht vollständig verstand oder erklären konnte.

Zuvor gab es allerdings schon ähnliche Beobachtungen im Zusammenhang mit dem sogenannten Becquerel-Effekt. Der Becquerel-Effekt, benannt nach dem französischen Physiker Alexandre Edmond Becquerel, wurde von diesem bereits 1839 entdeckt und bezieht sich auf die Umwandlung von Lichtenergie in elektrische Energie durch Absorption in bestimmten Materialien. Becquerel fand heraus, dass einige Materialien, insbesondere Metallsalze, die auf einer Elektrode abgeschieden wurden, elektrischen Strom erzeugten, wenn sie Licht ausgesetzt wurden. Üblicherweise wird dabei aber nur eine der beiden Elektroden beleuchtet. Als besonders wirksam erwies sich dabei ultraviolettes Licht, insbesondere bei oxidierten oder halogenierten Elektroden oder solchen aus Selen. Dieses Phänomen ist im Grunde genommen der Photoelektrizität verwandt, bezieht sich aber speziell auf die Erzeugung von Strom in Festkörpern, wenn sie Licht absorbieren. Dieser Effekt ist eng verwandt mit dem inneren photoelektrischen Effekt, der in Halbleitern auftritt, und es ist tatsächlich ein Vorläufer der modernen Solarzellen.

Obwohl der Becquerel-Effekt und der photoelektrische Effekt verwandt sind, unterscheiden sie sich in Bezug auf die beobachteten Phänomene und die zugrunde liegenden Mechanismen. Der Becquerel-Effekt bezieht sich auf die Erzeugung von elektrischem Strom in Festkörpern durch Lichtabsorption, während der photoelektrische Effekt die Freisetzung von Elektronen aus der Oberfläche eines Materials durch Licht beschreibt. Dennoch trugen beide Effekte dazu bei, das Verständnis der Wechselwirkung von Licht und Materie zu vertiefen und führten zur Entwicklung der Quantenmechanik und der Photovoltaik.

Theoretischer Hintergrund

Der photoelektrische Effekt war in den frühen Jahren des 20. Jahrhunderts Gegenstand intensiver Untersuchungen. Die klassische Physik konnte das Phänomen jedoch nicht zufriedenstellend erklären, insbesondere die Beobachtung, dass die Energie der ausgestoßenen Elektronen proportional zur Frequenz des Lichts ist und unabhängig von dessen Intensität.

Albert Einstein lieferte 1905 einen entscheidenden Beitrag zum Verständnis des photoelektrischen Effekts, indem er die Hypothese von Max Planck über die Quantisierung der Energie in Lichtquanten aufgriff und weiterentwickelte. Einstein postulierte, dass Licht aus diskreten Energiepaketen (Photonen) besteht, deren Energie $E$ proportional zur Frequenz $\nu$ des Lichts ist:

$E=h\nu$

Der Proportionalitätsfaktor ist das Plancksche Wirkungsquantum $h=6{,}626\,070\,15\cdot 10^{-34}\;\mathrm {Js}$.

Einstein erklärte den photoelektrischen Effekt, indem er vorschlug, dass die Photonen die Elektronen im Material mit ihrer Energie versorgen. Wenn die Energie des Photons größer ist als die Austrittsarbeit (die Energie, die benötigt wird, um ein Elektron aus dem Material zu entfernen), wird ein Elektron ausgestoßen. Die überschüssige Energie des Photons wird in kinetische Energie des Elektrons umgewandelt. Da die Energie der Photonen von der Frequenz des Lichts abhängt, erklärt dies die beobachtete Frequenzabhängigkeit der Energie der ausgestoßenen Elektronen.

Einsteins Erklärung des photoelektrischen Effekts war ein wichtiger Schritt in der Entwicklung der Quantenmechanik und trug dazu bei, die Dualität von Licht als Welle und Teilchen zu etablieren. Für seine Beiträge zur Quantenphysik, insbesondere zum Verständnis des photoelektrischen Effekts, erhielt Einstein 1921 den Nobelpreis für Physik.

Literatur

•  Silvana Galdabini, Giuseppe Giuliani und Nadia Robotti: Photoelectricity within Classical Physics: From the Photocurrents of Edmond Becquerel to the First Measure of the Electron Charge. (PDF).
•  Albert Einstein: Über einen die Erzeugung und Verwandlung des Lichtes betreffenden heuristischen Gesichtspunkt. In: Annalen der Physik. 322, Nr. 6, 1905, S. 132–148 (Online).
•  Clauser: Experimental distinction between the quantum and classical field-theoretic predictions for the photoelectric effect.. In: Physical Review D. 9, Nr. 4, 1974, S. 853–860.
•  Lamb Jr.: The photoelectric effect without photons. In: Presses Universitaires de France. Paris, 1969.