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

BeobachtungErwartung 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.

123455001.0001.500sichtbares LichtCäsiumfGZinkfGFrequenz f in THz →Ekin in eV
Oberhalb der Grenzfrequenz fG steigt die Energie der Elektronen linear an. Die Geraden sind parallel – ihre Steigung ist h. Für Cäsium reicht schon sichtbares Licht, für Zink erst UV.

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.

MetallAustrittsarbeitGrenzwellenlängePhotoeffekt mit
Cäsium1,9 eV650 nmauch rotem Licht
Kalium2,3 eV540 nmblauem bis grünem Licht
Natrium2,3 eV540 nmblauem bis grünem Licht
Calcium2,9 eV430 nmblauem bis grünem Licht
Zink4,3 eV290 nmnur UV-Licht
Wolfram4,5 eV280 nmnur UV-Licht
Kupfer4,6 eV270 nmnur UV-Licht
Platin5,6 eV220 nmnur UV-Licht

Typische Werte – je nach Oberfläche und Reinheit weichen sie um einige Zehntel eV ab.

Wie viel Energie hat ein Photon?

LichtWellenlängeFrequenzPhotonenenergie
rot700 nm428 THz1,77 eV
gelb580 nm517 THz2,14 eV
grün530 nm566 THz2,34 eV
blau450 nm666 THz2,76 eV
violett400 nm749 THz3,1 eV
UV-A350 nm857 THz3,54 eV
UV-C250 nm1.199 THz4,96 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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Teste Dich selbst

1. Rotes Licht löst aus einer Zinkplatte keine Elektronen. Was passiert, wenn man das rote Licht zehnmal heller macht?
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Richtig: Es werden weiterhin keine Elektronen ausgelöst. Jedes einzelne rote Photon hat zu wenig Energie. Mehr Photonen ändern daran nichts.

2. Wovon hängt die Energie eines Photons ab?
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Richtig: von der Frequenz. E = h · f – höhere Frequenz (kürzere Wellenlänge) bedeutet mehr Energie pro Photon.

3. Licht mit 4 eV Photonenenergie trifft auf Kalium (WA ≈ 2,3 eV). Welche Bewegungsenergie haben die schnellsten Elektronen?
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Richtig: 1,7 eV. Ekin,max = 4 eV − 2,3 eV = 1,7 eV.

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