Der Photoeffekt – Licht als Teilchen
Licht kann Elektronen aus einem Metall herausschlagen. Wie das genau abläuft, ließ sich mit der Vorstellung von Licht als Welle nicht erklären. Albert Einstein deutete den Photoeffekt 1905 mit Lichtteilchen, den Photonen – und bekam dafür den Nobelpreis.
Der Hallwachs-Versuch
Eine blank geschmirgelte Zinkplatte sitzt auf einem Elektroskop und wird negativ aufgeladen. Beleuchtet man sie mit dem UV-reichen Licht einer Quecksilberdampflampe, geht der Zeiger des Elektroskops schnell zurück: Das Licht löst Elektronen aus dem Zink.
- Stellt man eine Glasscheibe dazwischen, die UV-Licht verschluckt, passiert nichts – auch nicht bei sehr hellem Licht.
- Eine positiv geladene Platte entlädt sich nicht: Herausgelöste Elektronen werden sofort wieder angezogen.
Was die Wellenvorstellung nicht erklären kann
| Beobachtung | Erwartung bei Licht als Welle |
|---|---|
| Unterhalb einer Grenzfrequenz werden keine Elektronen ausgelöst – egal wie hell das Licht ist. | Helles Licht müsste nach einiger Zeit genug Energie liefern. |
| Die Energie der Elektronen hängt nur von der Frequenz (Farbe) ab, nicht von der Helligkeit. | Helleres Licht müsste schnellere Elektronen liefern. |
| Hellere Beleuchtung löst mehr Elektronen aus. | passt |
| Die Elektronen kommen sofort, ohne Verzögerung. | Bei schwachem Licht müsste sich die Energie erst ansammeln. |
Einsteins Erklärung: Photonen
Licht besteht aus einzelnen Energieportionen, den Photonen. Jedes Photon gibt seine ganze Energie an genau ein Elektron ab. Die Energie eines Photons hängt nur von der Frequenz ab:
E = h · f = h · c / λ h = 6,626 · 10⁻³⁴ J·s (Plancksches Wirkungsquantum)
Um das Metall zu verlassen, braucht ein Elektron mindestens die Austrittsarbeit WA. Was übrig bleibt, hat es als Bewegungsenergie:
Ekin,max = h · f − WA Einsteinsche Gleichung des Photoeffekts
Damit sind alle Beobachtungen erklärt: Ist h · f kleiner als WA, schafft es kein einzelnes Photon – egal wie viele kommen. Helleres Licht bedeutet nur mehr Photonen, also mehr Elektronen, aber nicht schnellere.
Austrittsarbeiten und Grenzwellenlängen
Energien in der Atomphysik gibt man meist in Elektronenvolt an: 1 eV = 1,602 · 10−19 J. Das ist die Energie, die ein Elektron beim Durchlaufen von 1 Volt gewinnt.
| Metall | Austrittsarbeit | Grenzwellenlänge | Photoeffekt mit |
|---|---|---|---|
| Cäsium | 1,9 eV | 650 nm | auch rotem Licht |
| Kalium | 2,3 eV | 540 nm | blauem bis grünem Licht |
| Natrium | 2,3 eV | 540 nm | blauem bis grünem Licht |
| Calcium | 2,9 eV | 430 nm | blauem bis grünem Licht |
| Zink | 4,3 eV | 290 nm | nur UV-Licht |
| Wolfram | 4,5 eV | 280 nm | nur UV-Licht |
| Kupfer | 4,6 eV | 270 nm | nur UV-Licht |
| Platin | 5,6 eV | 220 nm | nur UV-Licht |
Typische Werte – je nach Oberfläche und Reinheit weichen sie um einige Zehntel eV ab.
Wie viel Energie hat ein Photon?
| Licht | Wellenlänge | Frequenz | Photonenenergie |
|---|---|---|---|
| rot | 700 nm | 428 THz | 1,77 eV |
| gelb | 580 nm | 517 THz | 2,14 eV |
| grün | 530 nm | 566 THz | 2,34 eV |
| blau | 450 nm | 666 THz | 2,76 eV |
| violett | 400 nm | 749 THz | 3,1 eV |
| UV-A | 350 nm | 857 THz | 3,54 eV |
| UV-C | 250 nm | 1.199 THz | 4,96 eV |
Die Gegenfeldmethode: h messen
In einer Photozelle fliegen die ausgelösten Elektronen zu einer Gegenelektrode. Legt man eine Gegenspannung an, kommen nur noch Elektronen mit genügend Energie an. Bei der Spannung U0, bei der der Strom gerade aufhört, gilt e · U0 = Ekin,max. Misst man U0 für mehrere Farben, liegen die Punkte auf einer Geraden mit der Steigung h/e – so lässt sich das Plancksche Wirkungsquantum im Schullabor bestimmen.
Wo der Photoeffekt genutzt wird
- Solarzellen und Fotodioden nutzen den inneren Photoeffekt: Photonen heben Elektronen im Halbleiter an, sodass Strom fließen kann.
- Kamerasensoren zählen in jedem Pixel die ausgelösten Elektronen.
- Photomultiplier verstärken einzelne Photonen so stark, dass man sie zählen kann – zum Beispiel in Teilchendetektoren.
Merke
Licht verhält sich manchmal wie eine Welle (Beugung, Interferenz) und manchmal wie ein Strom von Teilchen (Photoeffekt). Diesen Welle-Teilchen-Dualismus beschreibt die Quantenphysik.
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Weiterlesen: Photoelektrischer Effekt bei Wikipedia