Der photoelektrische Effekt bezieht sich darauf, was passiert, wenn Elektronen von einem Material emittiert werden, das elektromagnetische Strahlung absorbiert hat. Der Physiker Albert Einstein war der erste, der die Wirkung vollständig beschrieb und erhielt für seine Arbeit einen Nobelpreis.
Licht mit Energie oberhalb eines bestimmten Punktes kann verwendet werden, um Elektronen zu lösen, so dass sie von einer festen Metalloberfläche befreit werden, so Scientific American. Jedes Lichtteilchen, Photon genannt, kollidiert mit einem Elektron und nutzt einen Teil seiner Energie, um das Elektron zu entfernen. Der Rest der Energie des Photons wird in die freie negative Ladung übertragen, die als Photoelektron bezeichnet wird.
Zu verstehen, wie dies funktioniert, revolutionierte die moderne Physik. Anwendungen des photoelektrischen Effekts brachten uns Türöffner mit elektrischem Auge, Lichtmesser für die Fotografie, Sonnenkollektoren und Fotostaten.
Vor Einstein war der Effekt von Wissenschaftlern beobachtet worden, aber sie waren durch das Verhalten verwirrt, weil sie die Natur des Lichts nicht vollständig verstanden haben. In den späten 1800er Jahren stellten die Physiker James Clerk Maxwell in Schottland und Hendrik Lorentz in den Niederlanden fest, dass Licht sich scheinbar als Welle verhält. Dies wurde durch die Beobachtung bewiesen, wie Lichtwellen Interferenz, Beugung und Streuung zeigen, die für alle Arten von Wellen (einschließlich Wellen im Wasser) üblich ist.
Einsteins Argument von 1905, Licht könne sich auch als Teilchensatz verhalten, war revolutionär, weil es nicht zur klassischen Theorie der elektromagnetischen Strahlung passte. Andere Wissenschaftler hatten die Theorie bereits vor ihm postuliert, aber Einstein war der erste, der sich eingehend mit den Ursachen des Phänomens beschäftigte - und den Auswirkungen.
Zum Beispiel sah Heinrich Hertz aus Deutschland 1887 als erster den photoelektrischen Effekt. Er entdeckte, dass er, wenn er ultraviolettes Licht auf Metallelektroden strahlte, die Spannung senkte, um einen Funken hinter den Elektroden zu bewegen, so der englische Astronom David Darling.
1899 in England, J.J. Thompson zeigte, dass ultraviolettes Licht, das auf eine Metalloberfläche trifft, den Ausstoß von Elektronen verursacht. Eine quantitative Messung des photoelektrischen Effekts erfolgte 1902 mit Arbeiten von Philipp Lenard (einem ehemaligen Assistenten von Hertz). Es war klar, dass Licht elektrische Eigenschaften hatte, aber was vor sich ging, war unklar.
Laut Einstein besteht Licht aus kleinen Paketen, zuerst Quanten und später Photonen genannt. Wie sich Quanten unter dem photoelektrischen Effekt verhalten, kann durch ein Gedankenexperiment verstanden werden. Stellen Sie sich einen Marmor vor, der sich in einem Brunnen befindet, der wie ein an ein Atom gebundenes Elektron wäre. Wenn ein Photon hereinkommt, trifft es auf den Marmor (oder Elektron) und gibt ihm genug Energie, um aus dem Brunnen zu entkommen. Dies erklärt das Verhalten von leicht auftreffenden Metalloberflächen.
Während Einstein, damals ein junger Patentanwalt in der Schweiz, das Phänomen 1905 erklärte, dauerte es 16 weitere Jahre, bis der Nobelpreis für seine Arbeit vergeben wurde. Dies geschah, nachdem der amerikanische Physiker Robert Millikan die Arbeit nicht nur verifiziert hatte, sondern auch eine Beziehung zwischen einer von Einsteins Konstanten und der Planckschen Konstante gefunden hatte. Die letztgenannte Konstante beschreibt, wie sich Teilchen und Wellen in der atomaren Welt verhalten.
Weitere frühe theoretische Studien zum photoelektrischen Effekt wurden 1922 von Arthur Compton durchgeführt (der zeigte, dass Röntgenstrahlen auch als Photonen behandelt werden können und den Nobelpreis 1927 erhielten), sowie Ralph Howard Fowler (der sich den Blick auf die Beziehung zwischen Metalltemperaturen und photoelektrischen Strömen.)
Während die Beschreibung des photoelektrischen Effekts sehr theoretisch klingt, gibt es viele praktische Anwendungen seiner Arbeit. Britannica beschreibt einige davon:
Photoelektrische Zellen wurden ursprünglich verwendet, um Licht zu detektieren, wobei eine Vakuumröhre mit einer Kathode verwendet wurde, um Elektronen zu emittieren, und eine Anode, um den resultierenden Strom zu sammeln. Diese "Phototubes" haben sich mittlerweile zu Halbleiter-basierten Photodioden entwickelt, die in Anwendungen wie Solarzellen und Glasfasertelekommunikation verwendet werden.
Fotovervielfacher-Röhren sind eine Variation der Fototube, aber sie haben mehrere Metallplatten, die Dynoden genannt werden. Elektronen werden freigesetzt, nachdem Licht auf die Kathoden fällt. Die Elektronen fallen dann auf die erste Dynode, wodurch mehr Elektronen freigesetzt werden, die auf die zweite Dynode fallen, dann auf die dritte, vierte und so weiter. Jede Dynode verstärkt den Strom; Nach etwa 10 Dynoden ist der Strom stark genug, damit die Photomultiplier sogar einzelne Photonen detektieren können. Beispiele hierfür werden in der Spektroskopie (die Licht in verschiedene Wellenlängen zerlegt, um beispielsweise mehr über die chemische Zusammensetzung eines Sterns zu erfahren) und computergestützte Axialtomographie-Scans (CAT-Scans) verwendet, die den Körper untersuchen.
Andere Anwendungen von Fotodioden und Fotovervielfachern umfassen:
Die vielleicht wichtigste Anwendung des photoelektrischen Effekts war jedoch die Einstellung der Quantenrevolution
Wissenschaftlicher Amerikaner. Sie veranlassten die Physiker, auf völlig neue Art und Weise über das Wesen des Lichts und die Struktur der Atome nachzudenken.
Zusätzliche Ressourcen
👉 Jeden Tag erreicht die Erde mehr Energie in Form von Sonnenlicht, als die gesamte Menschheit verbrauchen könnte. Einen Teil dieser erneuerbaren Energiequelle nutzen wir bereits, zum Beispiel mithilfe von Solarzellen. Diese verwenden unter anderem den Photoeffekt, um Sonnenenergie in elektrische Energie umzuwandeln.
👉 Der Fotoeffekt (lichtelektrischer Effekt) ist die allgemeine Bezeichnung für verschiedene Effekte, bei denen Photonen des sichtbaren, UV-, Röntgen- oder Gamma-Spektralbereichs von Hülle oder Kern eines Atoms absorbiert werden. Die dadurch gewonnene Energie führt in der Regel zur Emission eines Elektrons oder Nukleons.
👉 Verschiedene physikalische Geräte, wie Photozellen und Photokathoden von Photomultipliern und Bildwandlerröhren, sowie eine wichtige oberflächenphysikalische Messmethode, die Photoelektronenspektroskopie, nutzen den photoelektrischen Effekt. Dabei werden photoelektrische Messverfahren angewendet.In cache
👉 Der Photoeffekt ist ein physikalischer Prozess, bei dem Elektronen aus einem Material ausgestoßen werden, wenn es von Licht bestimmter Frequenzen getroffen wird. Dieses Phänomen wurde erstmals im 19. Jahrhundert beobachtet und von Albert Einstein im Jahr 1905 erklärt.
👉 Anwendung findet der äußere Fotoeffekt zum Beispiel in Fotokathoden, mit denen Photonen detektiert werden können. Der innere Fotoeffekt tritt in Halbleitern auf. Dabei werden bei Bestrahlung keine Elektronen herausgelöst – stattdessen werden durch die Photonenenergie sogenannte Energie-Loch-Paare erzeugt.
👉 Bei der Bestrahlung einer Zinkplatte mit dem Licht einer Quecksilberdampflampe stellt man fest, dass bei negativer Vorladung der Zinkplatte eine Entladung und somit der Photoeffekt stattfindet.
Der photoelektrische effekt bezieht sich darauf, was passiert, wenn elektronen von einem material emittiert werden, das elektromagnetische strahlung absorbiert hat.