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Photoeffekt

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Physik

Photoeffekt


Du lernst wohl gerade für deine nächste Physikklausur und hast noch ein paar Fragen zum Thema „Photoeffekt“. StudySmarter ist hier um zu helfen. In diesem Artikel erfährst was der Photoeffekt beschreibt, wie man ihn unterscheiden kann und welche historische Bedeutung er besitzt.


Photoeffekt – Was ist das? 


Stelle dir vor du bestrahlst einen Ball mit Licht und dieser kommt dadurch ins Rollen. Macht so erstmal keinen Sinn oder? In der Quantenmechanik und im Falle, dass der Ball ein Elektron ist dafür schon! Beim Photoeffekt, oder auch photoelektrischer Effekt, werden Photonen, also Licht, auf eine Metallplatte, Halbleiter oder Atom geschossen. Elektronen, die in dieser Metallplatte sind, nehmen Energie des Photons auf und können sich dann bewegen oder besitzen ein höheres Energielevel. Licht und Elektronen stehen somit in Wechselwirkung. 


Photonen besitzen Energie  und zwar . Jegliche Atome, Moleküle oder Gegenstände besitzen viele oder wenige Elektronen. Diese sind bekanntermaßen in Schalen um den Atomkern gebunden. Dadurch, dass die Energie des Photons auf das Elektron übertragen wird, hat dieses genug Energie um seine Elektronenschale zu verlassen oder die elektrischen Eigenschaften des Körpers, zu dem es gehört, zu verändern. Ein Fluss von Elektronen stellt Strom dar, der dann als Beweis für diese Wechselwirkung gemessen werden kann. Kann ein Elektron erfolgreich aus seiner Elektronenschale entfliehen, spricht man von einer Ionisierung.



Differenzierung des Photoeffekts 


Grundsätzlich kann man den Photoeffekt zwischen inneren, äußeren und atomaren Photoeffekt differenzieren. Schauen wir uns die drei Varianten genauer an:


Innerer Photoeffekt 


Beim inneren Photoeffekt wird kein Strom erzeugt und somit auch kein Elektron aus seiner Elektronenschale entzogen. Stattdessen nimmt das Elektron im beschienenen Halbleiter die Energie des Photons auf und erreicht ein erhöhtes Energielevel. Dadurch entstehen Elektronen-Loch-Paare, die die elektrische Leitfähigkeit des jeweiligen Materials/ Objektes erhöhen. Dies wird Photoleitung genannt. All dies findet innerhalb des Gegenstandes statt, daher auch der innere Photoeffekt.


Das Ganze jetzt nochmal ein bisschen mathematischer: Unser Elektron  nimmt die Energie des Photons  auf. Beim inneren Photoeffekt wird das Elektron jedoch nicht herausgelöst, sondern auf ein höheres Energielevel gehoben. Das Elektron war vorher fest in seiner Elektronenschale. Es hatte jedoch, wie wir beobachten können, die Fähigkeit mit genug Energie ein anderes Energielevel/Elektronenschale zu erreichen. Es gibt also eine Energieschwelle , die überwunden werden muss. Man kann also festhalten:



                                                                                       



Äußerer Photoeffekt 


Den äußeren Photoeffekt könnte man auch als den eigentlichen Photoeffekt definieren. Hierbei werden Elektronen tatsächlich aus ihrer Elektronenschale gelöst nachdem sie die Photonenenergie aufnehmen. Dabei benutzt das Elektron einen Teil der aufgenommenen Energie, um sich zu lösen und den restlichen Betrag als Beschleunigungsfaktor für seine Geschwindigkeit.


Und wieder in der mathematischen Sprache: Die Photonenenergie  ist groß genug, um die Austrittsarbeit  des Elektrons zu leisten. Zusätzlich ist nach diesem Prozess noch Energie  im Elektron vorhanden, um es zu beschleunigen. Es stellt sich somit folgende Gleichung heraus:



                                                                                        



Untersuchen wir diese Formel einmal genauer. h stellt das Planck’sche Wirkungsquantum dar, eine Konstante. Ekin ist abhängig von der Energie, die das Photon dem Elektron überträgt und WA ist abhängig vom Elektron und dem Atom/Element/Material des Gegenstandes. Für die Frequenz f gibt es somit einen Grenzwert, der mindestens erreicht werden muss, um die Austrittsarbeit  leisten zu können. Ohne die Austrittsarbeit gibt es auch keine Kinetische Energie im Elektron zur Beschleunigung des Stromes. Somit kann auch festgehalten werden:


h × fGrenz = WA



                                                                                           




Molekularer Photoeffekt 


Bei den 2 vorherigen Varianten haben wir immer einen Gegenstand beschienen. Dieses Mal schauen wir uns einzig und allein ein einzelnes Atom oder Molekül an. Dabei passiert das Gleiche wie bei den vorherigen Varianten. Ein Elektron löst sich von seiner Elektronenschale oder erreicht ein höheres Energielevel. Bei erfolgreichem Lösen fehlt dem Atom plötzlich ein Elektron. Da sich die Protonen im Kern nicht verändert haben, ist das Atom nun positiv geladen bzw. ionisiert. Man spricht auch von der Photoionisierung.


Bei einem Molekül sind viele Atome miteinander verbunden. Daher benötigt es mehr Energie, zum Beispiel durch helleres Licht (höhere Frequenz), um die Elektronen herauszulösen.



Photoeffekt berechnen 


Wir haben uns ja gerade eben schon 2 Formeln erarbeitet. Sammeln wir sie nochmal:


  1. h × f = Ekin + WA und

  2. h × fGrenz = WA



Um zu berechnen welche Frequenz mindestens nötig ist, um eine Elektron zu lösen, formen wir die 2. Formel um: fGrenz=WAh . Nun möchten wir die Geschwindigkeit v eines Elektrons nach dem Lösen berechnen. Dafür setzen wir in die erste Formel Ekin = 12 × mv2 ein und formen die Gleichung um zu:


Somit kannst du jetzt die Geschwindigkeit eines Elektrons bei einem spezifischen Licht und seiner Frequenz und einem spezifischen Atom und seiner benötigten Austrittsarbeit berechnen.



Historische Bedeutung des Photoeffekts 


1887 beobachtete Heinrich Hertz den Photoeffekt bei der Untersuchung elektrischer Wellen. Damals erhöhte er die Funkenzahl einer elektrischen Entladung indem er Licht darauf schienen ließ. 1888 folgte Hallwachs und untersuchte dieses Phänomen mit einer isolierten Metallplatte (äußerer Photoeffekt). Er ließ ultraviolettes Licht auf die Platte scheinen und bemerkte, dass sich diese elektrisch auflädt. Nach ihm fanden weitere Wissenschaftler heraus, dass sich die Geschwindigkeit der Elektronen nicht erhöhte durch erhöhte Lichtintensität. Dafür hingegen die Menge der Elektronen, die gelöst wurden. 


Damals war noch keine Rede von Lichtquanten oder Photonen. Die beobachteten Effekte konnten durch die damalige Theorie von Licht als Welle oder Strahl nicht erklärt werden.


Alle diese Ergebnisse und die richtigen Gedankengänge brachten einen Mann 1905 dazu die Lichtquantenhypothese zu veröffentlichen. In dieser redet er von Licht als Lichtteilchen, um den Photoeffekt zu erklären. Wir kennen ihn alle, den Albert Einstein. Für diese Arbeit bekam er 1921 den Nobelpreis zugesprochen und man kann ihn durchaus als Mitbegründer der Idee von Lichtquanten und Photonen ernennen.



Photoeffekt – Alles Wichtige auf einen Blick 


  • Beim Photoeffekt, oder auch photoelektrischen Effekt, werden Photonen auf eine Metallplatte, Halbleiter oder Atom geschossen
  • Durch die Aufnahme der Photonenenergie können die Elektronen ihre Atomhülle verlassen oder ein höheres Energielevel erreichen
  • Es kann zwischen dem inneren, äußeren und molekularen/ atomaren Photoeffekt unterschieden werden
  • Besonders interessant bei der Berechnung sind die Grenzfrequenz für das jeweilige Material/ Atom und die Geschwindigkeit der Elektronen/ die Stromstärke
  • Der Photoeffekt war einer der Hauptgründe für die heutige Idee von Photonen als Lichtquanten



Nun weißt du Bescheid über den Photoeffekt und was es damit auf sich hat. Wenn du noch ein bisschen lernen und das Berechnen üben möchtest, schaue dir gerne unsere Karteikarten zum Thema in der StudySmarter App an. Auch die Zusammenfassungen und Karteikarten andere Schüler kannst du dort finden. Viel Erfolg!




Häufig gestellte Fragen zum Thema Photoeffekt

Wenn Photonen auf Elektronen treffen wird die Energie des Photons auf das Elektron übertragen. Durch die Aufnahme der Photonenenergie können die Elektronen ihre Atomhülle verlassen oder ein höheres Energielevel erreichen.

Der Photoeffekt zeigt dass Licht Teilchencharakter besitzt.

Photonen treffen auf Elektronen und geben dabei ihre Energie an die Elektronen ab.

1887 beobachtete Heinrich Hertz den Photoeffekt bei der Untersuchung elektrischer Wellen. Die Lichtquantenhypothese um den Photoeffekt zu erklären wurde 1905 von Albert Einstein veröffentlicht.

Finales Photoeffekt Quiz

Frage

Welche 2 Quanten/ Teilchen wechselwirken beim Photoeffekt?

Antwort anzeigen

Antwort

Beim Photoeffekt steht das Photon (Lichtquant) mit dem Elektron in Wechselwirkung

Frage anzeigen

Frage

Was geschieht beim Photoeffekt?

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Antwort

Beim Photoeffekt, oder auch photoelektrischer Effekt, werden Photonen, also Licht, auf eine Metallplatte, Halbleiter oder Atom geschossen. Elektronen, die in dieser Metallplatte sind, nehmen Energie des Photons auf und können sich dann aus ihrer Atomhülle herauslösen oder besitzen ein höheres Energielevel.

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Frage

Wie berechnet man die Energie eines Photons?

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Antwort

Dabei steht h für das Plancksche Wirkungsquantum, eine Konstante, und f für die Frequenz des Lichtes

Frage anzeigen

Frage

Wie kann man beweisen, dass Elektronen tatsächlich aus einem Gegenstand/ Halbleiter/Atomen herausgelöst wurden? Gibt es eine messbare Größe?

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Antwort

Ein Fluss von Elektronen e- stellt elektrischen Strom dar. Somit kann mit einem Amperemeter eine Stromstärke gemessen werden.

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Frage

Wie nennt man es, wenn ein Elektron erfolgreich aus Materie/einem Atom herausgelöst wurde und die Materie/ das Atom nun positiv geladen ist? Gibt es einen speziellen Begriff, wenn das Ganze durch den Photoeffekt geschieht?

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Antwort

Diesen Vorgang nennt an Ionisierung. Geschieht dies durch den Photoeffekt kann man auch von der Photoionisierung sprechen.

Frage anzeigen

Frage

In welche 3 Varianten kann man den Photoeffekt differenzieren?

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Antwort

Man kann die folgenden 3 Varianten unterscheiden:

  • Innerer Photoeffekt
  • Äußerer Photoeffekt
  • Molekularer/ Atomarer Photoeffekt
Frage anzeigen

Frage

Was geschieht beim Inneren Photoeffekt?

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Antwort

Beim inneren Photoeffekt wird kein Strom erzeugt und somit auch kein Elektron aus seiner Hülle entzogen. Stattdessen nimmt das Elektron im beschienenen Halbleiter die Energie des Photons auf und erreicht ein erhöhtes Energielevel. Dadurch entstehen Elektronen-Loch-Paare, die die elektrische Leitfähigkeit des jeweiligen Materials/ Objektes erhöhen.

Frage anzeigen

Frage

Wie lautet das Fachwort für die Veränderung der elektrischen Leitfähigkeit eines Objektes durch den inneren Photoeffekt?

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Antwort

Dieser Effekt wird Photoleitung genannt.

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Frage

Was geschieht beim äußeren Photoeffekt?

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Antwort

Beim äußeren Photoeffekt werden Elektronen tatsächlich aus ihrer Atomhülle gelöst nachdem sie die Photonenenergie aufnehmen. Dabei benutzt das Elektron einen Teil der aufgenommenen Energie, um sich von seiner Atomhülle zu lösen und den restlichen Betrag als Beschleunigungsfaktor für seine Geschwindigkeit. Durch den Fluss von Elektronen kann Strom gemessen werden

Frage anzeigen

Frage

Welche mathematische Gleichung stellt sich durch den äußeren Photoeffekt heraus?

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Antwort

Die Photonenenergie E_Ph (=h*f) ist groß genug, um die Austrittsarbeit WA des Elektrons zu leisten. Zusätzlich ist nach diesem Prozess noch Energie E_kin im Elektron vorhanden, um es zu beschleunigen. Es stellt sich somit folgende Gleichung heraus:


Frage anzeigen

Frage

Was beschreibt der molekulare/ atomare Photoeffekt?

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Antwort

Dabei schauen wir uns einzig und allein ein einzelnes Atom oder Molekül an. Dabei passiert das Gleiche wie bei den vorherigen Varianten. Ein Elektron löst sich von seiner Atomhülle oder erreicht ein höheres Energielevel. Bei erfolgreichem Lösen fehlt dem Atom plötzlich ein Elektron. Da sich die Protonen im Kern nicht verändert haben, ist das Atom nun positiv geladen bzw. ionisiert. Man spricht auch von der Photoionisierung.

Bei einem Molekül sind viele Atome miteinander verbunden. Daher benötigt es mehr Energie, zum Beispiel durch helleres Licht (höhere Frequenz), um die Elektronen herauszulösen.

Frage anzeigen

Frage

Welche Formel für eine Grenzfrequenz zur Leistung der Austrittsarbeit lässt sich durch die folgende Gleichung herleiten?


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Antwort

h stellt das Planck’sche Wirkungsquantum dar, eine Konstante. Ekin ist abhängig von der Energie, die das Photon dem Elektron überträgt und WA ist abhängig vom Elektron und dem Atom/Element/Material des Gegenstandes. Für die Frequenz f gibt es somit einen Grenzwert, der mindestens erreicht werden muss, um die Austrittsarbeit WA leisten zu können. Ohne die Austrittsarbeit gibt es auch keine Kinetische Energie im Elektron zur Beschleunigung des Stromes. Somit kann auch festgehalten werden:



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Frage

Wie kann man die Geschwindigkeit der herausgelösten Elektronen berechnen?

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Antwort


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Frage

Wer entdeckte den Photoeffekt 1887 und warum war der Photoeffekt so interessant?

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Antwort

1887 beobachtete Heinrich Hertz den Photoeffekt bei der Untersuchung elektrischer Wellen. Damals erhöhte er die Funkenzahl einer elektrischen Entladung indem er Licht darauf schienen ließ. 

1888 folgte Hallwachs, der ultraviolettes Licht auf die Platte scheinen ließ und bemerkte, dass sich diese elektrisch auflädt. 

Damals war noch keine Rede von Lichtquanten oder Photonen. Die beobachteten Effekte konnten durch die damalige Theorie von Licht als Welle oder Strahl nicht erklärt werden.

Frage anzeigen

Frage

Wer veröffentlichte die Idee von Licht als Lichtquanten durch die Beobachtungen des Photoeffekts und bekam 1921 den Nobelpreis?

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Antwort

Albert Einstein brachte Photonen als Erklärung für den Photoeffekt hervor und gilt als Mitbegründer des heutigen Verständnis von Licht.

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