Der Fotoeffekt - Wechselwirkung zwischen Licht und Materie

Der Fotoeffekt wurde im Jahre 1887 von Heinrich Hertz entdeckt und von Wilhelm Hallwachs, einem seiner Schüler, sowie von Philip Lenard weiter untersucht.

Die richtige Deutung des Fotoeffektes gelang aber erst Albert Einstein in einer seiner Arbeiten aus dem Jahr 1905. Vor allem dafür erhielt er im Jahre 1921 den Nobelpreis für Physik.

Versuch:

Ein geschmirgelte Zinkplatte, die sich auf einem Elektroskop befindet, wird negativ geladen und anschließend mit dem Licht einer Quecksilberdampflampe bestrahlt.

Versuch zum Fotoeffekt 1

Eine Änderung der Ladung kann am Zeigerausschlag des Elektroskops beobachtet werden.

Beobachtung:

Beim Bestrahlen der Zinkplatte geht der Zeigerausschlag am Elektroskop zurück - die Zinkplatte wird also entladen:

Versuch zum Fotoeffekt 3

Dieser Effekt tritt allerdings nicht auf, wenn

  • die Zinkplatte positiv geladen wurde
  • sich eine Glasscheibe zwischen Lampe und Zinkplatte befindet
  • eine andere Lichtquelle (z.B. Natriumdampflampe, Glühlampe etc.) verwendet wird

Erklärung:

Durch das Bestrahlen mit dem Licht der Quecksilberdampflampe werden überschüssige Elektronen aus der Oberfläche der Zinkplatte herausgelöst.

Dass dieser Effekt mit anderen Lichtquellen oder mit einer Glasscheibe zwischen Lampe und Zinkplatte, die das UV-Licht der Quecksilberlampe absorbiert, nicht auftritt, zeigt:

Nur das kurzwellige UV-Licht ist in der Lage, Elektronen aus der Zinkplatte herauszulösen.

Fotoeffekt

Den Effekt, dass Licht aus der Oberfläche von Festkörpern Elektronen herauslösen kann, bezeichnet man als Fotoeffekt

(oder nach dem Entdecker auch Hallwachs-Effekt).

Die durch Licht herausgelösten Elektronen nennt man Fotoelektronen.

Die Ablösearbeit

Um aus der Zinkplatte Elektronen herauszulösen, musste an ihnen Arbeit verrichtet werden, die nur vom Licht stammen kann.

Die Arbeit, die zum Herauslösen von Elektronen notwendig ist, bezeichnet man als Ablösearbeit WA.

Die notwendige Ablösearbeit kann in diesem Fall offensichtlich nur vom kurzwelligen UV-Licht, nicht aber von sichtbarem Licht aufgebracht werden - und zwar unabhängig davon, wie groß die Intensität des sichtbaren Lichts ist.

Das bedeutet:

Die Energieübertragung des Lichts auf die Elektronen muss sich bei UV-Licht von sichtbarem Licht unterscheiden.

Widerspruch zur Wellentheorie

Dass sichtbares Licht auch bei sehr hoher Intensität nicht in der Lage ist, die notwendige Energie auf die Elektronen zu übertragen, widerspricht der Wellentheorie, denn bei größerer Lichtintensität sollte auch mehr Energie auf die Elektronen übertragen werden.

Zusammenhang zwischen Intensität und Energie elektromagnetischer Wellen

Die Intensität I elektromagnetischer Strahlung  ist definiert als Quotient aus der Energie E, die in einem Zeitintervall Δt auf eine Fläche A fällt, und dem Produkt aus dieser Fläche A und der Zeit Δt:

Es gilt:        I=\dfrac {E}{A\cdot \Delta t}

Demnach ist die Energie elektromagnetischer Strahlung proportional zur Intensität:

E\sim I

Es stellt sich also die Frage:

Warum kann nicht jede Art von Licht hoher Intensität Elektronen aus der Zinkplatte herauslösen?

Um die Eigenschaften der durch das Licht  herausgelösten Fotoelektronen genauer zu untersuchen, werden diese mit einem Metallgitter (Spiralelektrode) aufgefangen:

Bild folgt

Zwischen den Elektroden ist eine Spannung nachweisbar. Die Elektronen gelangen also bis zum Metallgitter, welches sich dadurch negativ auflädt.

Erklärung / Schlussfolgerung:

Wenn die Fotoelektronen zum Gitter gelangen, müssen sie nach dem Herauslösen zusätzlich kinetische Energie besitzen. Diese kann wie die Ablösearbeit nur vom Licht stammen.

Der Fotostrom

Wenn zwischen der Zinkplatte und dem Metallgitter eine hohe Spannung von einigen kV angelegt wird, werden die herausgelösten Elektronen vom Metallgitter angezogen und können mit Hilfe eines Messverstärkers als Strom registriert werden.

Den Strom, der durch die herausgelösten Elektronen (Fotoelektronen) zustande kommt, bezeichnet man als Fotostrom.

Erhöht man die Intensität des Lichts, wird der Fotostrom größer - es gelangen mehr Elektronen zum Gitter.

Die Fotozelle

Bei einer Fotozelle handelt es sich um eine ähnliche Anordnung wie im vorangegangenen Versuch:

Fotozelle

Eine Fotozelle besteht aus einer Metallschicht (meistens wird Cäsium verwendet), der Fotokathode, aus der beim Bestrahlen mit Licht Elektronen herausgelöst werden.

Das Kathodenmaterial besitzt schwach gebundene Elektronen, wodurch diese - im Gegensatz zur Zinkplatte - auch mit sichtbarem Licht herausgelöst werden können.

Zum Auffangen der Fotoelektronen dient ein Metallring, die sogenannte Ringanode.

Beides befindet sich in einer Vakuumröhre, wodurch der Elektronenaustritt erleichtert wird. Dadurch ist es nicht mehr nötig, die Fotokathode negativ zu laden.

Wird die Fotozelle mit Licht bestrahlt, werden Elektronen aus der Fotokathode herausgelöst und gelangen zur Ringanode.

Sind Anode und Kathode nicht miteinander verbunden, entsteht so mit der Zeit auf der Kathode ein Elektronenmangel, während auf der Ringanode ein Elektronenüberschuss entsteht.

Es baut sich dadurch eine Spannung zwischen Anode und Kathode auf: Der Anodenring wird negativ geladen, die Kathode positiv.

Wovon hängt die Spannung zwischen Anode und Kathode ab?

Jedes herausgelöste Elektron bewegt sich auf einen zunehmend negativ geladenen Anodenring zu. Es entsteht also ein immer stärker werdendes elektrisches Feld, welches die Elektronen abbremst. Ist das Feld zu stark, also die Spannung zu groß, können die Fotoelektronen nicht mehr zur Anode gelangen - die Spannung erhöht sich dann nicht mehr weiter.

Die Energie, die die Elektronen benötigen, um das elektrische Feld zwischen Kathode und Anode zu überwinden und so die Anode zu erreichen, entspricht der Energie des elektrischen Feldes:

E_{el}=U\cdot e

Die kinetische Energie der Elektronen muss also mindestens dieser Energie entsprechen, um die Anode noch zu erreichen.

Je größer die kinetische Energie der schnellsten Fotoelektronen ist, umso größer wird die Spannung.

Steigt die Spannung nicht weiter an, bedeutet das, dass kein Elektron mehr genügend Energie besitzt, um die Anode noch zu erreichen.

Die schnellsten Fotoelektronen haben dann genau die Energie

E_{kin,max}=U\cdot e.

Hinweis: Nicht alle herausgelösten Elektronen haben die gleiche Energie - diese Energie entspricht der Energie der schnellsten Elektronen.

Mit dem o.g. Zusammenhang kann man ganz einfach aus der Spannung auf die Energie der schnellsten Fotoelektronen schließen.

Wiederholt man den Versuch mit verschiedenen Lichtfarben, so stellt sich heraus:

Die Spannung hängt von der Lichtfarbe ab:

Je größer die Frequenz des verwendeten Lichts, umso größer wird die Spannung.

Dieser Zusammenhang bestätigt die Erkenntnis aus den vorangegangenen Versuchen:

Licht kleinerer Wellenlänge kann offensichtlich mehr Energie auf die Elektronen übertragen als langwelligeres Licht - und zwar unabhängig von der Intensität des Lichts!

Wie viel Energie erhalten die Elektronen durch das Licht, und wovon hängt diese ab?

Um die Energie der schnellsten Fotoelektronen zu bestimmen, müsste man folglich die Spannung, die sich beim Bestrahlen der Fotozelle mit Licht einstellt, messen. Dann ließe sich mit dem o.g. Zusammenhang die Energie der Fotoelektronen berechnen.

Bei der Bestimmung dieser Spannung gibt es jedoch ein Problem:

Auch wenn ein Voltmeter einen hohen Innenwiderstand hat, so fließen doch einige Elektronen durch das Voltmeter hindurch - und damit von der Anode zur Kathode. Doch dadurch sinkt die zu messende Spannung.

Da die Anzahl der Elektronen begrenzt ist (der Fotostrom ist sehr klein; er liegt im Bereich von einigen nA), würden wir also durch den Messprozess selbst die zu messende Größe maßgeblich beeinflussen.

Aus diesem Grund verwendet man eine andere Methode zur Bestimmung der maximalen Energie der Fotoelektronen, die sog. Gegenfeldmethode.