Photoelektrischer Effekt: Definition, Gleichung & Experiment

Alles, was in der klassischen Physik gelernt wurde, wurde auf den Kopf gestellt, als Physiker immer kleinere Bereiche erforschten und Quanteneffekte entdeckten. Zu den ersten dieser Entdeckungen gehörte der photoelektrische Effekt. In den frühen 1900er Jahren entsprachen die Ergebnisse dieses Effekts nicht den klassischen Vorhersagen und waren nur mit der Quantentheorie erklärbar, was den Physikern eine ganz neue Welt eröffnete.

Der photoelektrische Effekt hat heute auch viele praktische Anwendungen. Von der medizinischen Bildgebung bis zur Erzeugung sauberer Energie hat die Entdeckung und Anwendung dieses Effekts heute Auswirkungen, die weit über das bloße Verständnis der Wissenschaft hinausgehen.

Wenn Licht oder elektromagnetische Strahlung auf ein Material wie eine Metalloberfläche trifft, emittiert dieses Material manchmal Elektronen, genanntPhotoelektronen. Dies liegt im Wesentlichen daran, dass die Atome im Material die Strahlung als Energie absorbieren. Elektronen in Atomen absorbieren Strahlung, indem sie auf höhere Energieniveaus springen. Wenn die absorbierte Energie hoch genug ist, verlassen die Elektronen ihr Heimatatom vollständig.

Dieser Vorgang wird manchmal auch genanntLichtemissiondenn einfallende Photonen (ein anderer Name für Lichtteilchen) sind die direkte Ursache für die Emission von Elektronen. Da Elektronen eine negative Ladung haben, bleibt die Metallplatte, von der sie emittiert wurden, ionisiert.

Das Besondere am photoelektrischen Effekt war jedoch, dass er nicht den klassischen Vorhersagen folgte. Die Art und Weise, wie die Elektronen emittiert wurden, die Anzahl der emittierten Elektronen und wie sich diese mit der Lichtintensität änderte, ließen Wissenschaftler zunächst am Kopf kratzen.

Zu den ursprünglichen Vorhersagen über die Ergebnisse des photoelektrischen Effekts aus der klassischen Physik gehörten:

1. Energieübertragung von einfallender Strahlung auf die Elektronen. Es wurde angenommen, dass die auf das Material einfallende Energie unabhängig von der Wellenlänge direkt von den Elektronen in den Atomen absorbiert wird. Dies ist im klassischen Mechanik-Paradigma sinnvoll: Was auch immer Sie in den Eimer gießen, füllt den Eimer um diese Menge.
2. Änderungen der Lichtintensität sollten Änderungen der kinetischen Energie der Elektronen ergeben. Wenn davon ausgegangen wird, dass Elektronen die auf sie einfallende Strahlung absorbieren, sollte ihnen mehr derselben Strahlung entsprechend mehr Energie geben. Sobald die Elektronen die Grenzen ihrer Atome verlassen haben, wird diese Energie in Form von kinetischer Energie gesehen.
3. Licht sehr niedriger Intensität sollte eine Zeitverzögerung zwischen Lichtabsorption und Elektronenemission ergeben. Dies liegt daran, dass angenommen wurde, dass Elektronen genug Energie gewinnen müssen, um ihr Heimatatom zu verlassen, und Licht geringer Intensität ist so, als würde man ihrem Energieeimer langsamer Energie hinzufügen. Das Füllen dauert länger, und daher sollte es länger dauern, bis die Elektronen genug Energie haben, um emittiert zu werden.

Die tatsächlichen Ergebnisse stimmten überhaupt nicht mit den Vorhersagen überein. Dies beinhaltete Folgendes:

1. Elektronen wurden nur dann freigesetzt, wenn das einfallende Licht eine Schwellenfrequenz erreichte oder überschritt. Unterhalb dieser Frequenz trat keine Emission auf. Dabei spielte es keine Rolle, ob die Intensität hoch oder niedrig war. Aus irgendeinem Grund war die Frequenz oder Wellenlänge des Lichts selbst viel wichtiger.
2. Intensitätsänderungen führten nicht zu Änderungen der kinetischen Energie der Elektronen. Sie veränderten nur die Anzahl der emittierten Elektronen. Sobald die Schwellenfrequenz erreicht war, fügte eine Erhöhung der Intensität keinem emittierten Elektron mehr Energie hinzu. Stattdessen hatten sie alle die gleiche kinetische Energie; es waren einfach mehr davon.
3. Bei niedrigen Intensitäten gab es keine Zeitverzögerung. Es schien keine Zeit erforderlich zu sein, um den „Energiebehälter“ eines bestimmten Elektrons zu füllen. Wenn ein Elektron emittiert werden sollte, wurde es sofort emittiert. Eine geringere Intensität hatte keinen Einfluss auf die kinetische Energie oder die Verzögerungszeit; es führte einfach dazu, dass weniger Elektronen emittiert wurden.

Der einzige Weg, dieses Phänomen zu erklären, war die Quantenmechanik. Stellen Sie sich einen Lichtstrahl nicht als Welle vor, sondern als eine Ansammlung diskreter Wellenpakete, die Photonen genannt werden. Die Photonen haben alle unterschiedliche Energiewerte, die der Frequenz und Wellenlänge des Lichts entsprechen, wie durch den Welle-Teilchen-Dualismus erklärt wird.

Bedenken Sie außerdem, dass die Elektronen nur zwischen diskreten Energiezuständen springen können. Sie können nur bestimmte Energiewerte haben, aber niemals Werte dazwischen. Nun lassen sich die beobachteten Phänomene wie folgt erklären:

1. Elektronen werden nur dann freigesetzt, wenn sie ganz bestimmte ausreichende Energiewerte aufnehmen. Jedes Elektron, das das richtige Energiepaket (Photonenenergie) erhält, wird freigesetzt. Keine wird freigesetzt, wenn die Frequenz des einfallenden Lichts unabhängig von der Intensität zu niedrig ist, da keines der Energiepakete einzeln groß genug ist.
2. Sobald die Schwellenfrequenz überschritten wird, erhöht eine zunehmende Intensität nur die Anzahl der Elektronen freigesetzt und nicht die Energie der Elektronen selbst, denn jedes emittierte Elektron absorbiert ein diskretes Photon. Eine höhere Intensität bedeutet mehr Photonen und damit mehr Photoelektronen.
3. Auch bei geringer Intensität gibt es keine Zeitverzögerung, solange die Frequenz hoch genug ist, denn sobald ein Elektron das richtige Energiepaket bekommt, wird es freigesetzt. Niedrige Intensität führt nur zu weniger Elektronen.

Ein wichtiges Konzept im Zusammenhang mit dem photoelektrischen Effekt ist die Austrittsarbeit. Auch als Elektronenbindungsenergie bekannt, ist dies die minimale Energie, die benötigt wird, um ein Elektron aus einem Festkörper zu entfernen.

Die Formel für die Austrittsarbeit lautet:

Wo-eist die Elektronenladung,ϕist das elektrostatische Potential im Vakuum nahe der Oberfläche undEist das Fermi-Niveau der Elektronen im Material.

Das elektrostatische Potential wird in Volt gemessen und ist ein Maß für die elektrische potentielle Energie pro Ladungseinheit. Daher der erste Term im Ausdruck,-eϕ, ist die elektrische potentielle Energie eines Elektrons in der Nähe der Oberfläche des Materials.

Das Fermi-Niveau kann man sich als die Energie des äußersten Elektrons vorstellen, wenn sich das Atom im Grundzustand befindet.

Eng verwandt mit der Austrittsarbeit ist die Schwellenfrequenz. Dies ist die minimale Frequenz, bei der einfallende Photonen die Emission von Elektronen verursachen. Die Frequenz steht in direktem Zusammenhang mit der Energie (höhere Frequenz entspricht höherer Energie), weshalb eine Mindestfrequenz erreicht werden muss.

Oberhalb der Grenzfrequenz hängt die kinetische Energie der Elektronen von der Frequenz und nicht von der Intensität des Lichts ab. Grundsätzlich wird die Energie eines einzelnen Photons vollständig auf ein einzelnes Elektron übertragen. Ein bestimmter Teil dieser Energie wird verwendet, um das Elektron auszustoßen, und der Rest ist seine kinetische Energie. Auch hier bedeutet eine höhere Intensität nur, dass mehr Elektronen emittiert werden, nicht dass die emittierten Elektronen mehr Energie haben.

Die maximale kinetische Energie der emittierten Elektronen kann über die folgende Gleichung ermittelt werden:

WoK_maxist die maximale kinetische Energie des Photoelektrons,haist die Plancksche Konstante = 6.62607004 ×10^-34 ich²kg/s,fist die Frequenz des Lichts undf₀ist die Schwellenfrequenz.

Sie können sich die Entdeckung des photoelektrischen Effekts in zwei Phasen vorstellen. Erstens die Entdeckung der Emission von Photoelektronen aus bestimmten Materialien durch einfallendes Licht und zweitens die Bestimmung dass dieser Effekt der klassischen Physik überhaupt nicht gehorcht, was zu vielen wichtigen Grundlagen unseres Verständnisses von Quanten führte Mechanik.

Heinrich Hertz beobachtete erstmals 1887 den photoelektrischen Effekt bei Experimenten mit einem Funkenstreckengenerator. Der Aufbau umfasste zwei Paare von Metallkugeln. Funken, die zwischen dem ersten Satz von Kugeln erzeugt werden, würden dazu führen, dass Funken zwischen dem zweiten Satz überspringen und somit als Wandler und Empfänger wirken. Hertz konnte die Empfindlichkeit des Setups durch Belichten erhöhen. Jahre später hat J. J. Thompson entdeckte, dass die erhöhte Empfindlichkeit darauf zurückzuführen ist, dass das Licht die Elektronen ausstößt.

Während Hertzs ​​Assistent Phillip Lenard feststellte, dass die Intensität die kinetische Energie der Photoelektronen nicht beeinflusst, war es Robert Millikan, der die Schwellenfrequenz entdeckte. Später konnte Einstein das seltsame Phänomen erklären, indem er die Quantisierung von Energie annahm.

Albert Einstein erhielt 1921 den Nobelpreis für seine Entdeckung des Gesetzes der Photoelektrizität Effekt, und Millikan erhielt 1923 den Nobelpreis auch für Arbeiten zum Verständnis der photoelektrischen bewirken.

Der photoelektrische Effekt hat viele Anwendungen. Eine davon ist, dass es Wissenschaftlern ermöglicht, die Elektronenenergieniveaus in Materie zu untersuchen, indem sie die Schwellenfrequenz bestimmen, bei der einfallendes Licht eine Emission verursacht. Photomultiplier-Röhren, die sich diesen Effekt zunutze machen, wurden auch in älteren Fernsehkameras verwendet.

Eine sehr nützliche Anwendung des photoelektrischen Effekts ist der Bau von Sonnenkollektoren. Sonnenkollektoren sind Arrays von Photovoltaikzellen, bei denen es sich um Zellen handelt, die Elektronen verwenden, die durch Sonnenstrahlung aus Metallen ausgestoßen werden, um Strom zu erzeugen. Im Jahr 2018 werden fast 3 Prozent der weltweiten Energie durch Sonnenkollektoren erzeugt, aber diese Zahl ist in den nächsten Jahren voraussichtlich erheblich zunehmen, zumal die Effizienz solcher Panels steigt.

Aber vor allem legte die Entdeckung und das Verständnis des photoelektrischen Effekts den Grundstein für das Gebiet der Quantenmechanik und ein besseres Verständnis der Natur des Lichts.

Es gibt viele Experimente, die in einem einführenden Physiklabor durchgeführt werden können, um den photoelektrischen Effekt zu demonstrieren. Einige davon sind komplizierter als andere.

Ein einfacher Versuch demonstriert den photoelektrischen Effekt mit einem Elektroskop und einer UV-C-Lampe, die ultraviolettes Licht liefert. Legen Sie eine negative Ladung auf das Elektroskop, so dass die Nadel abgelenkt wird. Beleuchten Sie dann die UV-C-Lampe. Das Licht der Lampe setzt Elektronen aus dem Elektroskop frei und entlädt es. Sie können dies daran erkennen, dass sich die Auslenkung der Nadel verringert. Beachten Sie jedoch, dass das gleiche Experiment mit einem positiv geladenen Elektroskop nicht funktionieren würde.

Es gibt viele andere Möglichkeiten, mit dem photoelektrischen Effekt zu experimentieren. Mehrere Aufbauten beinhalten eine Fotozelle, die aus einer großen Anode besteht, die beim Auftreffen mit einfallendem Licht Elektronen freisetzt, die von einer Kathode aufgenommen werden. Wird dieses Setup beispielsweise an ein Voltmeter angeschlossen, wird der photoelektrische Effekt sichtbar, wenn das Licht eine Spannung erzeugt.

Komplexere Setups ermöglichen eine genauere Messung und ermöglichen Ihnen sogar die Bestimmung der Austrittsarbeit und der Schwellenfrequenzen für verschiedene Materialien. Links finden Sie im Abschnitt Ressourcen.