Photoeffekt

Beim Photoeffekt treten Elektronen aus einem Metall heraus, das mit Licht beschienen wird. Die Erklärung dieses Effekts hat wesentlich zur Entwicklung der Quantentheorie beigetragen.

Bei Lichtschranken im Fahrstuhl passiert es tagtäglich: Elektronen treten aus einem Metall heraus, wenn dieses mit Licht beschienen wird. Als Physiker um 1900 diesen Effekt erklären wollten, bissen sie sich die Zähne daran aus. Denn mit der klassischen Physik war da nicht viel zu machen; zur Erklärung musste erst noch die Quantentheorie entwickelt werden.

Die nicht-klassischen Eigenschaften des Photoeffekts

Die experimentellen Untersuchungen des Photoeffekts hatten die folgenden beiden Eigenschaften ans Licht gebracht, die sich klassisch nicht erklären ließen:

Damit sich Elektronen überhaupt vom Metall lösen, muss die Frequenz des Lichts einen bestimmten Schwellenwert überschreiten; darunter passiert nichts, egal wie viel Licht man auf die Platte strahlt und wie lange.
Die Geschwindigkeit (Energie) der Elektronen hängt nicht von der Intensität des Lichts ab, sondern wächst (linear) mit der Frequenz (Farbe).

Beide Eigenschaften stehen im Widerspruch zum klassischen Verständnis von Licht als elektromagnetische Welle. Denn danach sollte es von der Intensität des Lichts abhängen, ob Teilchen austreten und welche Energien sie dabei besitzen.

Einsteins Erklärung Albert Einstein nahm sich im Jahr 1905 einer Erklärung des Photoeffekts an. Die nicht-klassischen Eigenschaften konnte er dabei elegant erklären, indem er sich Licht als aus kleinen Energiepaketen zusammengesetzt vorstellte. Diese Energiepakete wurden 1926 „Photonen“ genannt.

Die Erklärung des Photoeffekts mit Photonen

Einstein griff eine Idee von Max Planck auf, nach der die Energie eines Photons mit der Frequenz des Lichts zunimmt: E=hf

Geht man nun davon aus, dass ein Elektron nicht die Energie mehrerer Photonen sammeln kann, so muss die Energie eines einzelnen Photons ausreichen, um das Elektron aus dem Metall zu lösen. Daher gibt es eine Schwellenfrequenz, ab der der Photoeffekt überhaupt erst zu beobachten ist.

Liegt die Energie des Photons über der Energie, die zum Herauslösen des Elektrons aus dem Metall nötig ist, so wird das Elektron mit der restlichen Energie beschleunigt. Die Endenergie des Elektrons wächst daher linear mit der Frequenz des Lichts und hängt nicht von seiner Intensität ab. Wie viel Energie für eine Beschleunigung der Elektronen übrig bleibt, hängt auch von der Frequenz der Photonen (und des Lichts) und nicht von ihrer Anzahl (also der Intensität des Lichts) ab.

Besteht Licht aus Teilchen? Der Photoeffekt liefert wichtige Indizien zur Teilchenartigkeit von Licht. Dies bedeutet aber nicht, dass Licht aus Teilchen besteht. Welleneigenschaften des Lichts treten auch beim Photoeffekt an freien Atomen zutage. So werden Elektronen dabei nicht in Richtung der Lichtsausbreitung ausgesendet, sondern senkrecht dazu in Richtung der elektrischen Feldstärke der entsprechenden Welle: Licht ist also weder Teilchen noch Welle, sondern etwas Drittes.

Anwendungen des Photoeffekts Der Photoeffekt findet vielfache Verwendung. Mit seiner Hilfe

produzieren Lichtschranken je nach Lichteinfall unterschiedliche elektrische Signale,
werden Elektronen für Teilchenbeschleuniger erzeugt und
werden infrarote (Wärme)-Photonen in Nachtsichtgeräten sichtbar gemacht.

Geschichte eines Effekts Als der Photoeffekt zum ersten Mal bemerkt wurde, wusste die Welt noch nichts von Elektronen. Damals – im Jahr 1887 – untersuchte Heinrich Hertz die Funkenbildung zwischen elektrisch geladenen Platten. Er bemerkte, dass die Stärke und Anzahl der Funken zunahm, als er die Metallflächen mit ultraviolettem Licht bestrahlte. Was da passierte, verstand er noch nicht. Erst 1899 zeigte Philipp Lenard, dass beim Lichteinfall negativ geladene Teilchen die Platten verlassen: Es handelte sich um die zwei Jahre zuvor entdeckten Elektronen. Die quantitativen Untersuchungen wurden erst im Jahr 1902 vollständig abgeschlossen und allesamt 1905 mit Einsteins Lichtquantenhypothese erklärt. Damit legte Einstein einen wichtigen Grundstein zur Quantentheorie und erhielt dafür 1921 den Nobelpreis für Physik.