Photoelektrischer EffektUnter dem Begriff photoelektrischer Effekt oder fotoelektrischer Effekt werden vier nahe verwandte, aber unterschiedliche Phänomene in der Physik zusammengefasst: Meist bezeichnet man als photoelektrischen Effekt ungenau den Äußeren fotoelektrischen Effekt, weiterhin gibt es den Inneren fotoelektrischen Effekt, die Fotoionisation (auch atomarer oder molekularer Fotoeffekt) und den Fotovoltaischen Effekt. In allen Fällen wird die Energie eines Photons auf ein Elektron übertragen. Je nach der weiteren Wirkung dieses energiereichen Elektrons unterscheidet man die vier Arten des fotoelektrischen Effektes. Äußerer fotoelektrischer EffektDer Äußere fotoelektrische Effekt, der auch Fotoeffekt oder lichtelektrischer Effekt genannt wird, behandelt das Freisetzen elektrisch geladener Teilchen aus einem Material, wenn dieses von elektromagnetischer Strahlung (etwa Licht oder Ultraviolettstrahlung) getroffen wird. Dieser Effekt wurde 1886 von Heinrich Hertz erstmals beobachtet und von dessen Assistenten Wilhelm Hallwachs systematisch untersucht (1887 Hallwachseffekt). Manche unoxidierte Metalle geben im aufgeladenen Zustand Elektronen ab, wenn ihre Oberfläche durch Licht bestrahlt wird. Die von den Elektronen aufgenommene kinetische Energie hängt von der Wellenlänge (Frequenz, Farbe) des bestrahlenden Lichtes ab und nicht von deren Intensität. Dies stand im Gegensatz zur klassischen Physik (klassische Mechanik und Elektrodynamik), die dies nicht erklären konnte, da nach allem, was man damals wusste, die Energie einer Welle von deren Amplitude und nicht von der Frequenz abhängig ist.Albert Einstein zeigte 1905, dass eine Beschreibung des Lichts durch Lichtquanten, heute Photonen genannt, den Effekt gut erklären kann. Insofern gilt der fotoelektrische Effekt als eines der Schlüsselexperimente zur Begründung der Quantenphysik, da er den Versuch aufgrund der Lichtquantenhypothese erklärte. Einstein wurde 1921 für diese Arbeit mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet. Schon Isaac Newton hatte Lichtteilchen angenommen. Die Vorstellung von Lichtteilchen galt im 19. Jahrhundert als überholt. Durch Interferenzexperimente und die großartige Übereinstimmung vieler Experimente mit Maxwells Elektrodynamik, die Licht als elektromagnetische Welle auffasste, war der Wellencharakter des Lichtes unbestritten. Einsteins Erklärungen des fotoelektrischen Effektes waren vor diesem Hintergrund eine mutige und gewagte Hypothese. Die Frage, ob Licht nun aus Wellen oder Teilchen bestehe, kann seitdem nicht mehr so gestellt werden. Licht zeigt sowohl Wellencharakter als auch Teilchencharakter, dieses Phänomen wird als Welle-Teilchen-Dualismus bezeichnet. Mikroskopisch erklärte Einstein diesen Effekt durch die Übergabe der Energie eines Photons an ein im Material gebundenes Elektron. Das Elektron muss mindestens soviel Energie erhalten, um die vom Material abhängige Austrittsarbeit zu überwinden, mit der es an das Material gebunden ist, so dass man einen Effekt beobachten kann. Einstein schlug vor, anzunehmen, dass die Energie der einfallenden Photonen von ihrer Frequenz abhängt (h ist das plancksche Wirkungsquantum). Folglich gibt es für jedes Material eine maximale Wellenlänge (bzw. eine minimale Frequenz), bei der dieser Effekt auftritt. Die herausgeschlagenen Elektronen verlassen das Material mit kinetischer Energie. Sie erzeugen eine Ladungstrennung (Spannung), die von der Lichtwellenlänge abhängt. Der daraus resultierende Strom, der Fotostrom, kann nachgewiesen werden und hängt von der Intensität des einfallenden Lichtes ab. Fotozellen nutzen diesen Effekt aus. Innerer fotoelektrischer EffektDieser Effekt wird in Festkörpern beobachtet, bei denen die Elektronen im nichtleitenden Valenzband sind und nur eine schwache elektrische Leitung möglich ist. Durch Photonen werden Elektronen in ein energetisch höher gelegenes Leitungsband gehoben, so dass das Material unter Beleuchtung besser leitet. Fotoionisation (auch atomarer oder molekularer Fotoeffekt)Werden die Atome oder Moleküle eines Gases durch kurzwellige Strahlung eines oder mehrerer ihrer Elektronen beraubt, spricht man von Fotoionisation. Fotovoltaischer EffektDer fotovoltaische Effekt basiert auf dem inneren fotoelektrischen Effekt. Zusätzlich wird ein p-n-Übergang benötigt. An dem Übergang findet eine Ladungstrennung statt. Das entstehende elektrische Spannungsgefälle kann für die Wandlung der Strahlungsenergie in elektrische Energie genutzt werden. Der Fotovoltaische Effekt ist Grundlage von Solarzellen. Weblinks |