Photoelektrischer Effekt
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Unter dem Begriff photoelektrischer Effekt bzw. fotoelektrischer Effekt, lichtelektrischer Effekt oder kurz Fotoeffekt werden vier nahe verwandte, aber unterschiedliche Phänomene in der Physik zusammengefasst:
- der äußere photoelektrische Effekt, (der oft auch gemeint ist, wenn allgemein vom photoelektrischen Effekt, bzw. der Photoemission die Rede ist),
- der innere photoelektrische Effekt:
- Photoleitung bzw. Fotoleitung
- photovoltaischer Effekt
- die Photoionisation (auch atomarer oder molekularer Photoeffekt)
In allen Fällen wird die Energie eines Photons auf ein Elektron übertragen. Je nach dem Zustand dieses Elektrons vor der Energieübertragung und seiner Wirkung nach der Energieübertragung unterscheidet man die vier Arten des photoelektrischen Effektes.
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[Bearbeiten] Äußerer photoelektrischer Effekt
Unter dem äußeren photoelektrischen Effekt, auch Photoeffekt, Hallwachs-Effekt, lichtelektrischer Effekt oder Photoemission genannt, versteht man das Freisetzen von Elektronen aus einer Metalloberfläche, die von elektromagnetischer Strahlung (etwa Licht oder Ultraviolettstrahlung) getroffen wird.
[Bearbeiten] Geschichte
Der lichtelektrische Effekt wurde 1839 von Alexandre Edmond Becquerel erstmals beobachtet. Im Jahre 1886 wurde dieser Effekt von Heinrich Hertz und seinem Assistenten Wilhelm Hallwachs systematisch untersucht (1887 Hallwachseffekt). Unoxidierte Metalloberflächen geben im negativ aufgeladenen Zustand Elektronen ab, wenn ihre Oberfläche durch Licht bestrahlt wird. Die kinetische Energie der freiwerdenden Elektronen hängt von der Frequenz (und damit von der Farbe) des Lichtes ab, aber nicht von dessen Intensität. Dies stand im Gegensatz zur Vorstellung von Licht als Wellenerscheinung, da in der klassischen Physik die Energie einer Welle von deren Amplitude und nicht von der Frequenz abhängt.
Schon Isaac Newton hatte angenommen, dass Licht aus Teilchen besteht. Die von ihm aufgestellte Korpuskeltheorie ging allerdings im Gegensatz zur modernen Quantenphysik von materiellen Teilchen aus. Im 19. Jahrhundert galt die Vorstellung von Lichtteilchen als überholt, da Interferenzexperimente in Übereinstimmung mit Maxwells Elektrodynamik, die Licht als elektromagnetische Welle auffasste, den Wellencharakter des Lichts belegten. Einsteins Erklärung des photoelektrischen Effekts durch Lichtteilchen (1905), war vor diesem Hintergrund eine mutige Hypothese. Der damit geschaffene scheinbare Widerspruch, dass Licht in bestimmten Experimenten Wellen-, in anderen aber Teilchenverhalten zeigt (Welle-Teilchen-Dualismus), wurde erst durch die Quantenmechanik aufgelöst. Insofern gilt der photoelektrische Effekt als eines der Schlüsselexperimente zur Begründung der Quantenphysik. Einstein wurde 1921 für diese Arbeit mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet.
Die Quantenmechanik enthielt immer noch Widersprüche zur Elektrodynamik. Nach dem Zweiten Weltkrieg arbeitete Richard Feynman an diesen Widersprüchen und begründete damit die Quantenelektrodynamik. In diesem Zusammenhang entstanden auch die Feynman-Diagramme (Feynman-Graphen), die man heute oft benutzt, um Wechselwirkungen von Quantenobjekten zu veranschaulichen.
[Bearbeiten] Anwendungen
Photozellen und Fotokathoden von Photomultipliern und Bildwandlerröhren nutzen diesen Effekt aus.
[Bearbeiten] Das Experiment (Demonstrationsversuch)
[Bearbeiten] Aufbau
In einer Vakuum-Fotozelle befindet sich eine Metalloberfläche (Elektrode, im Abb. rot) und ein Drahtring (Ringelektrode, im Abb. grün).
[Bearbeiten] Durchführung
Die Elektrode wird mit Licht oder ultraviolettem Licht beschienen. Zwischen Elektrode und Ringelektrode wird mit einem hochohmigen Spannungsmessgerät oder einem hochempfindlichen Strommessgerät (μA-Bereich) gemessen. Die Farbe des Lichtes wird mit Farbfiltern (mögl. monochromatisch) aus weißem Licht selektiert. Oft benutzt man auch Quecksilberdampflampen, da sie besonders gut im UV-Bereich abstrahlen und verwendet dann nur Farbfilter, welche den Wellenlängen des Emmissionspektrums der Lampe entsprechen.
[Bearbeiten] Beobachtung
a) Variation der Lichtintensität (bei unveränderter Lichtwellenlänge)
- Hier wird nur mit einem Spannungsmessgerät und einem dazu parallel geschalteten Kondensator gearbeitet. Es wird beobachtet, dass sich der Kondensator lädt.
- Der Ladestrom - und somit die Zeit zum Erreichen einer Maximalspannung - hängt von der Lichtintensität ab. Die Maximalspannung ist jedoch unabhängig von der Intensität.
b) Variation der Farbe (Lichtwellenlänge / Lichtfrequenz)
- Die gemessene Spannung ist nur von der Lichtfrequenz und nicht von der Intensität abhängig. Unter einer gewissen Grenzfrequenz des einfallenden Lichtes ist keine Spannung/ bzw. Photostrom nachweisbar.
- Zur exakteren Messung wird oft eine zusätzliche Gleichspannung (Gegenspannung) U angelegt, und mittels eines Potentiometers so lange variiert, bis der Fotostrom gerade Null ist. (s. Abb.) Diese Spannung, für welche der Photostrom gleich Null ist, wird U0 genannt.
[Bearbeiten] Erklärung
Nun nimmt man an, dass die kinetische Energie der Elektronen der Spannung U0 proportional ist:
- Ekin = eU0
Trägt man nun die Ergebnisse aus Beobachtung b) in einem Energie-Frequenz-Diagramm auf, so erhält man eine Gerade (s. Abb.).
Einstein zeigte, dass die experimentellen Ergebnisse für verschiedene Metalle mit der Annahme erklärt werden konnten, dass die Energie E des einfallenden Lichtes (Photons) proportional seiner Frequenz f ist. Die Proportionalitätskonstante h – offensichtlich eine Größe der Dimension "Energie geteilt durch Frequenz" oder "Energie mal Zeit" – ist das Plancksche Wirkungsquantum, das von Max Planck fünf Jahre zuvor als neue Naturkonstante zur Erklärung der Frequenzabhängigkeit der Wärmestrahlung eingeführt worden war. Einstein zeigte damit als Erster, dass diese Konstante eine viel allgemeinere Bedeutung hat.
Somit war der lineare Anstieg im E(f)-Diagramm erklärt.
Aber auch die Verschiebung (Achsenabschnitt) deutete Einstein:
Zum Verlassen der Metalloberfläche muss dem Elektron ein vom Material abhängiger Energiebetrag, die Austrittsarbeit, zugeführt werden. Soll dies durch Photonenstoß geschehen, muss also das Photon mindestens diese Energie enthalten. Besitzt das Photon mehr als die Mindestenergie, erhält das Elektron den Überschuss als kinetische Energie. Die maximale kinetische Energie ist durch die maximale Lichtfrequenz fmax gegeben:
(Einstein-Gleichung; WA ist die materialabhängige Austrittsarbeit)
In Worten: Die kinetische Energie der Elektronen ergibt sich aus der frequenzabhängigen Lichtenergie abzüglich der Austrittsarbeit.
Die Austrittsarbeit WA kann aus dem negativen Achsenabschnitt des E(f)-Diagramms abgelesen werden.
Fazit:
Die freigesetzten Elektronen erzeugen eine von der Lichtwellenlänge abhängige Ladungstrennung, die zum Aufbau einer Spannung führt. Der daraus resultierende Strom, der Photostrom, kann nachgewiesen werden und hängt von der Intensität des einfallenden Lichtes ab. Ist das Potential zwischen Anode und Kathode so groß, dass es die energiereichsten Elektronen nicht mehr durchlaufen können, stellt sich eine konstante Spannung ein, die der kinetischen Energie der Elektronen entspricht.
[Bearbeiten] Innerer photoelektrischer Effekt
[Bearbeiten] Photoleitung
Photoleitung wird in halbleitenden Festkörpern beobachtet, bei denen Elektronen vom Valenzband durch Photonen in das energetisch höher gelegene Leitungsband gehoben werden, so dass die Leitfähigkeit des Materials unter Beleuchtung zunimmt. Dazu muss das Photon eine Energie von mindestens der Bandlücke aufweisen.
Man kann entsprechend Spektren der Photoleitung aufnehmen, die die Änderung der elektrischen Leitfähigkeit in Abhängigkeit von der Energie (bzw. der Wellenlänge) des eingestrahlten Lichts darstellen. Die Leitfähigkeit wird ab der Bandlückenenergie deutlich ansteigen, so dass man auf diese Weise die Bandlücke bestimmen kann.
Durch Verfeinerung der Analyse solcher Photoleitungsspektren und Zusammenführung mit teilweise schon vorhandenen Kenntnissen der Bandstruktur des verwendeten Materials lassen sich weitere Details der Bandstruktur (siehe auch Bändermodell) ausmessen.
Wenn die Untersuchungen im Magnetfeld vorgenommen werden, können noch einmal weitere Details bestimmt werden, die sich sonst in ihren Auswirkungen untrennbar überlagern, durch das Magnetfeld aber getrennt werden. Ein Beispiel ist der magnetooptische Kerr-Effekt.
Für Messungen der Wellenlängenabhängigkeit der Photoleitung verwendet man optische Spektrometer. Messungen erfolgen oft im Vakuum, um z. B. Wasserbanden im nahen Infrarot zu vermeiden, oder bei tiefen Temperaturen, um z. B. Magnetfeldeffekte vom Rauschen zu trennen.
Die Photoleitung wird in Fotowiderständen zur Herstellung von Lichtsensoren, u.a. zur Belichtungsmessung verwendet.
[Bearbeiten] Photovoltaischer Effekt
Der photovoltaische Effekt basiert ebenfalls auf dem inneren photoelektrischen Effekt. Zusätzlich wird ein p-n-Übergang benötigt. An dem Übergang findet bei Lichteinwirkung eine Ladungstrennung statt. Das entstehende elektrische Spannungsgefälle kann für die Wandlung der Strahlungsenergie in elektrische Energie genutzt werden.
Der photovoltaische Effekt ist Grundlage für die Funktionsweise von Solarzellen.
Fotodioden sind ebenso aufgebaut, sie werden zur Strahlungsdetektion und -messung eingesetzt.
Fototransistoren enthalten ebenfalls fotoempfindliche PN-Übergänge. Sie liefern jedoch keine Energie, stattdessen verstärken sie den in ihnen auftretenden Fotostrom.
Siehe auch:
[Bearbeiten] Photoionisation (auch atomarer oder molekularer Photoeffekt)
Werden die Atome oder Moleküle z. B. eines Gases durch kurzwellige Strahlung eines oder mehrerer ihrer Elektronen beraubt, spricht man von Photoionisation. Das ist mit Ultraviolett-, Röntgen- oder Gammastrahlung möglich, wobei das Photon absorbiert wird, indem es einen Teil oder seine gesamte Energie an ein gebundenes Elektron abgibt. Dieser Vorgang wird in Detektoren für solche Strahlung angewendet und wird in der Kernphysik gemeinhin als Photoeffekt bezeichnet.
Der Wirkungsquerschnitt σ für die Photoionisation hängt ab von der Photonenenergie Eγ und der Ordnungszahl Z des Materials:
Er ist also näherungsweise proportional der fünften Potenz der Ordnungszahl. Das bedeutet, dass Materialien mit hoher Ordnungszahl besonders gut Röntgen- und Gammastrahlung absorbieren (Blei (Z = 82) ist daher besser zur Abschirmung von Röntgenstrahlung geeignet als beispielsweise Aluminium (Z = 13)).
Mit steigender Photonenenergie nimmt der Wirkungsquerschnitt ab, wie die negative Potenz in der Formel zeigt; dies gilt allerdings nur, solange eine gleichbleibende Zahl der Elektronen des Atoms zur Ionisation verfügbar ist. Sobald die Photonenenergie die Bindungsenergie der jeweils nächst fester gebundenen Elektronenschale erreicht, springt der Wirkungsquerschnitt auf einen entsprechend höheren Wert, von dem er dann bei weiterem Energieanstieg wieder allmählich abfällt. Dies führt im Absorptionsspektrum zu charakteristischen Strukturen, den Absorptionskanten. Elektronen-Bindungsenergien reichen von wenigen eV bis zu (in Elementen hoher Ordnungszahl) rund 100 keV.
Die Photoionisation von Luft mittels Ultraviolettstrahlung kann zur Erhöhung ihrer Leitfähigkeit und dadurch zur Ableitung elektrostatischer Entladungen genutzt werden.
Die Messung der Leitfähigkeit der Luft wurde zum erstmaligen Nachweis der kosmischen Herkunft eines Teiles der natürlichen Radioaktivität herangezogen, indem sie bei Ballonaufstiegen gemessen wurde.
Es gibt auch einen Kernphotoeffekt, bei dem ein sehr energiereiches Gamma-Quant im Atomkern absorbiert wird und mit einer Kernreaktion ein Neutron, Proton oder Alphateilchen freisetzt. Dies wird auch als (γ,n)-, (γ,p)- bzw. (γ,alpha)-Reaktion bezeichnet.
[Bearbeiten] Weblinks
- Interaktiv bedienbare Darstellung des Experiments (benötigt Makromedia Shockwave)
- http://www.walter-fendt.de/ph14d/photoeffekt.htm
- Photoeffekt, Photonenhypothese mit interaktiven Experimenten (Universität Ulm)
- Flash-Animation einer bestrahlten Photozelle (zum Abspielen des Filmes Enter-Taste drücken)
- Remotely Controlled Lab (RCL) (Realexperiment, über das Internet fernbedienbar, siehe dort unter "Labs")
