Photoelektrischer Effekt

Das Studieren des Lichts steht im Mittelpunkt der größten wissenschaftlichen Entdeckungen. Jahrhundertelang studierte der Mensch die Wirkungen des Lichts, ohne die Ursachen und noch weniger seine Natur zu verstehen. Wie können wir sehen? Wie breitet sich das Licht aus? Verbreitet es sich sofort?  Wenn nein, wie hoch ist die Lichtgeschwindigkeit? Handelt es sich um eine Welle oder um Teilchen? Genau diese letzte Frage wird in die-sem Experiment zum photoelektrischen Effekt beantwortet.

• 1670er Jahre: Huygens erklärt die Gesetze der Beugung nach einem Wellenmodell.
• 1700er Jahre: Newton zerlegt das weiße Licht und behauptet, dass Licht ein Strom von sich bewegenden Teilchen ist.
• 1840er Jahre: Becquerel und Faraday entdecken die Wechselwirkungen zwischen Materie und Licht.
• 1860er Jahre: Maxwell entdeckt elektromagnetische Natur des Lichts und stellt die Gleichung für eine Welle auf, die sich mit einer Geschwindigkeit von 300.000 km.s^-1 ausbreitet.
• 1880er Jahre: Heinrich Hertz schlägt den Nagel auf den Kopf. Wellenbewegung, indem er zum ersten Mal elektromagnetische Wellen ("Radiowellen") erzeugte.

Das Experiment, das sich mit dem photoelektrischen Effekt be-fasst, stellt jedoch ein Problem dar. Problem, das die Wellentheorie des Lichts nicht erklären kann. 

Bei diesem Experiment wird eine Metallplatte (die Kathode) beleuchtet. Unter bestimmten Bedingungen werden auf einer anderen Platte (der Anode) die von der Kathode abgezogenen Elektronen empfangen. Es fließt ein Strom, der mit einem Amperemeter gemessen werden kann. Wenn das Licht eine Welle ist, dann besagen die Arbeiten von Maxwell und Hertz, dass bei einer Erhöhung der Feldstärke (Amplitude der Welle) mehr Elektronen herausgerissen werden. Ein stärkerer Strom wäre dann messbar.

Das ist aber überhaupt nicht der Fall. Es ist die Frequenz der ein-fallenden Welle, die sich auf diesen Strom auswirkt. Unterhalb einer bestimmten Schwellenfrequenz wird kein Elektron herausgerissen, egal wie stark das Licht ist.

• 1900er Jahre: Ausgehend von Max Plancks Arbeiten über den schwarzen Körper und die Wechselwirkung zwischen erhitzter Materie und Lichtemission erklärt Einstein den photoelektrischen Effekt, indem er das Licht als einen Strahl von Korpuskeln betrachtet, die er "Photon" nennt. Jedes Photon besitzt eine Energiemenge (Quanten), deren Energie (E) proportional zur Frequenz (ν) gemäß dem Planck'schen Gesetz ist: E = hν (h ist eine Konstante und hat den Wert 6,626.10^-34 J.s).

Die Austrittsenergie (Φ) ist die Energie, mit der ein Elektron aus der Kathode zu entfernen. Es gibt also eine Schwellenfrequenz ν₀, unterhalb derer kein Photon ein Elektron herausreißen kann. Unabhängig von der Intensität der Quelle wird bei solchen Photonen niemals ein Strom fließen. Für einen Photon mit einer Fre-quenz ν > ν₀ hingegen wird ein Elektron herausgerissen und es verfügt sogar über eine kinetische Energie, die der Differenz hν - hν₀ entspricht. Die zwischen Kathode und Anode angelegte Po-tenzialdifferenz U dient lediglich dazu, diese von der Kathode abgerissenen Elektronen zu beschleunigen (oder zu bremsen).

Einstein erhält 1921 den Nobelpreis für seine Erklärungen des photoelektrischen Effekts. Man muss sich die kontraintuitive Seite dieser Entdeckung vergegenwärtigen, die besagt, dass Licht sowohl eine Welle als auch ein Teilchen ist und dass bestimmte Phänomene nur durch den einen oder den anderen Aspekt erklärt werden können.