Bedeutung der Versuchsergebnisse

Die Tatsache, dass nicht die Intensität, sondern einzig die Frequenz bestimmt, wie viel Energie die Elektronen durch Bestrahlung mit Licht erhalten, ist mit der Wellenauffassung von Licht nicht zu erklären.

Denn danach wäre die pro Zeiteinheit abgegebene Energie proportional zur Intensität bzw. zum Quadrat der Amplitude der Welle, nämlich der elektrischen Feldstärke.

Die Elektronen müssten also bei höherer Intensität eine größere Energie erhalten.

Dass jedoch auch Licht mit sehr hoher Intensität unterhalb eine bestimmten Grenzfrequenz nicht genug Energie aufbringen kann, lässt sich mit klassischen Vorstellungen nicht verstehen.

Die maximale Energie der Fotoelektronen ist bei einer bestimmten Frequenz konstant und nicht von der Intensität abhängig.

Auch das ist nach klassischen Vorstellungen unverständlich.

Die Energieübertragung beim Fotoeffekt kann also nicht mit klassischen Vorstellungen erklärt werden.

Eine Beschreibung lieferte Albert Einstein im Jahre 1905:

Einstein:

Licht der Frequenz f enthält Energie nur in (unteilbaren) Portionen (Quanten) der Größe

E = h·f.

Diese unteilbaren Energiequanten werden als Lichtquanten oder Photonen bezeichnet.

Die Konstante h bestimmt dabei die Energie eines Lichtquants. Diese hängt also nur von der Frequenz ab.

Dass eine höhere Intensität nicht zu einer Vergrößerung der kinetischen Energie der Elektronen führt, erklärte Einstein folgendermaßen:

Ein Elektron absorbiert immer nur die Energie eines Photons. Die Energie wird damit nicht kontinuierlich, sondern nur in festen Energiebeträgen absorbiert.

Die (kinetische) Energie eines ausgelösten Elektrons beträgt Ekin,max = hf – WA.

Eine Vergrößerung der Intensität führt also zu einer Vergrößerung der Anzahl der pro Zeit herausgelösten Fotoelektronen (und damit zur Vergrößerung des Fotostroms), nicht jedoch zur Vergrößerung des von einem einzelnen Elektron absorbierten Energiebetrages.

Eine größere Intensität bedeutet, es treffen mehr Photonen auf eine bestimmte Fläche!

Dass die Energieabgabe des Lichts nicht kontinuierlich, sondern in Portionen geschehen soll, war eine sehr gewagte Hypothese und scheinbar unvereinbar mit dem (experimentell bestätigten) Wellencharakter des Lichts. Bei Portionen oder Quanten denkt man unwillkürlich an Teilchen.

So gab es lange Zeit Skepsis gegenüber Einsteins Lichtquantenhypothese.

Selbst Max Planck, der Einstein zwar sehr schätzte und seine Leistungen anerkannte, formulierte noch im Jahr 1913, Einstein sei „... in seinen Spekulationen gelegentlich auch einmal über das Ziel hinausgeschossen…“, womit er insbesondere seine Hypothese zu den Lichtquanten meinte.

Doch 8 Jahre später (1921) erhielt Albert Einstein den Nobelpreis für seinen Beitrag zur Quantentheorie, nachdem es zahlreiche Ergebnisse aus Experimenten gab, die diese Theorie stützten.

Aus der Reihe "Die Physik Albert Einsteins" mit Harald Lesch gibt es eine Folge zum Fotoeffekt. Darin werden noch einmal alle wichtigen Fakten und deren Bedeutung erläutert.

Hier geht es zur Folge

Die Physik Albert Einsteins - Der Fotoffekt

Licht doch keine Welle, sondern Teilchen?

Die neuen Erkenntnisse dürfen natürlich nicht dazu führen, Licht auf einmal als ein Teilchenphänomen zu betrachten - wie sollten schließlich Phänomene wie Beugung und Interferenz mit Teilchen erklärt werden?

Es zeigt sich jedoch, dass die Wellentheorie allein keine ausreichende Beschreibung für das Wesen des Lichts liefert.

Auch Einstein selbst betonte, dass Photonen nicht als „Lichtteilchen“ verstanden werden sollen, sondern als Energieportionen - Quanten - einer Lichtwelle mit neuartigen Quanteneigenschaften.

Photonen sind weder Welle noch Teilchen!

Mit der Photonenvorstellung konnte auch die Entstehung und das Spektrum von der 1895 entdeckten Röntgenstrahlung erklärt werden.

Mehr dazu erfährst Du auf der nächsten Seite!