Photoeffekt und Lichtquanten
Der Fotoeffekt
Wird eine negativ geladene Metallplatte mit Licht bestrahlt, so können damit aus ihr Elektronen herausgelöst werden. Der Effekt ist nur zu beobachten, wenn die Frequenz des Lichtes oberhalb einer vom Metall abhängigen Grenzfrequenz liegt. Dieses "lichtelektrische" Phänomen wird Fotoeffekt genannt.
Versuchsaufbau
Das UV-Licht einer Quecksilberdampflampe entlädt die negativ geladene Zinkplatte. Die Glasplatte würde UV-Licht absorbieren und den Photoeffekt verhindern.
Hier noch einmal das Schema: Bei Bestrahlung mit kurzwelligem Licht werden aus der Oberfläche des Metalls Elektronen herausgelöst. Dies nennt man Fotoeffekt.
Genauer passiert folgendes: Beim Fotoeffekt treffen Photonen auf eine Metalloberfläche und geben ihre Energie EPh an die Elektronen ab. Mit der gewonnenen Energie kann das Elektron das Metall verlassen.
Photonen
Lichtquellen senden Energie nicht kontinuierlich, sondern in Portionen aus. Die Energieportionen EPh heißen Photonen.
Nach dieser Vorstellung dringen die Photonen in das Metall ein und geben ihre gesamte Energie an die Elektronen der Oberfläche des Metalls ab. Danach existieren sie nicht mehr. Die einfachste Vorstellung ist, dass jedes Photon seine Energie einem elektron als kinetische Energie überträgt. Ist die Energie EPh groß genug, kann das Elektron das Metall velassen. Dabei muss es, um sich vom Metall lösen zu können, eine Arbeit verrichten, deren Betrag W charakteristisch für das Metall ist. Außerhalb des Metalls beträgt die kinetische Energie des Photons daher nur noch:
Der innere Fotoeffekt
Das Licht einer Hg-Dampflampe löst aus einer Cäsiumschicht Elektronen heraus, die von einer Auffängerelektrode aufgenommen werden, sodass Spannung messbar ist.
Merke:
- Licht ausreichend hoher Frequenz kann aus Metalloberflächen Elektronen herausschlagen. (Fotoeffekt)
- Die maximale Elektronenenergie hängt nicht von der Intensität des einfallenden Lichtes ab. Sie wächst linear mit der Frequenz, aber erst ab einer bestimmten Grenzfrequenz.
- Einstein ging von der Annahme aus, dass die Energie des Lichtes immer portionsweise auf ein Elektron übertragen wird. Solche Energieportionen nannte er Photonen oder Lichtquanten. Die Energie jedes Photons ist proportional zu der Frequenz, die man dem Licht in der Wellentheorie zuordnet.
- Jedes Photon überträgt seine Energie nur auf ein Elektron.
- Beim Fotoeffekt ist die Energie eines Photons gleich der Summe aus Bewegungsenergie und Austrittsarbeit des Elektrons.
Unterschied äußerer und innerer Fotoeffekt
Äußeren Fotoeffekt:
Die Erscheinung, dass bei Bestrahlung mit Licht aus der Oberfläche von Festkörpern Elektronen austreten können, wird als äußerer lichtelektrischer Effekt bezeichnet.
Innerer Fotoeffekt
Inneren lichtelektrischen Effekt nennt man dagegen die Erscheinung, dass durch den Einfluss von Strahlung Elektronen im Inneren eines Festkörpers ihre Bindung verlassen und dann als Leitungselektron zur Verfügung stehen.
