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Photoeffekt

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Photoeffekt

Jeden Tag erreicht die Erde mehr Energie in Form von Sonnenlicht, als die gesamte Menschheit verbrauchen könnte.

Einen Teil dieser erneuerbaren Energiequelle nutzen wir bereits, zum Beispiel mithilfe von Solarzellen. Diese verwenden unter anderem den Photoeffekt, um Sonnenenergie in elektrische Energie umzuwandeln.

Doch wie funktioniert dieser Photoeffekt eigentlich? Und könnten wir damit wirklich die gesamte Menschheit mit nachhaltiger Energie versorgen?

Photoeffekt Physik

Was ist Licht? Diese Frage reicht bis in die Antike zurück und es dauerte bis zur Entwicklung der Quantenmechanik im 20. Jahrhundert, um der Antwort ein Stückchen näherzukommen.

Lange Zeit gab es zwei konkurrierende Ideen über die Natur des Lichts. Einige Eigenschaften des Lichts (wie Reflexion) konnten durch Licht als Teilchen beschrieben werden. Andere Phänomene (wie Interferenz) waren nur mit einem Wellenmodell des Lichts erklärbar.

Mehr zu den Themen Reflexion und Interferenz findest Du in den entsprechenden Erklärungen.

Im 19. und 20. Jahrhundert setzte sich nach und nach die Wellentheorie durch und die meisten Physiker*innen waren von der Wellennatur des Lichts überzeugt. Dennoch scheiterte die Theorie, ein wichtiges Phänomen zu erklären: den Photoeffekt.

Unter dem photoelektrischen Effekt (kurz: Photoeffekt) verstehst Du das Phänomen, dass Elektronen durch Absorption von Licht aus einem Atom oder Medium gelöst werden. Diese Elektronen bezeichnest Du als Photoelektronen.

Insgesamt unterscheidest Du drei Arten des Photoeffekts: den inneren, den molekularen und den äußeren Photoeffekt.

Äußerer Photoeffekt

Der äußere Photoeffekt bereitete den Physiker*innen im 19. und 20. Jahrhundert Kopfschmerzen, da er sich nicht mit der Wellentheorie des Lichts vereinbaren ließ.

Der äußere Photoeffekt bezeichnet das Herauslösen von Elektronen aus einer Metalloberfläche durch die Bestrahlung mit Licht. Die Photoelektronen verlassen die Oberfläche mit einer gewissen kinetischen Energie Ekin.

Um Elektronen aus einem Medium (z.B. der Metalloberfläche) herauszulösen, bedarf es einer gewissen Energie: der sogenannten Austrittsarbeit WA. Die Größe der Austrittsarbeit ist abhängig von dem Material des Mediums.

Doch warum lässt sich der Effekt nicht mit dem Licht als einer Welle erklären?

Photoeffekt Aufbau

Diese Frage kannst Du mit einem Experiment beantworten, das der Entdecker des äußeren Photoeffekt Heinrich Hallwachs bereits um 1888 durchführte.

Dafür brauchst Du zunächst eine Zinkplatte, die an ein Elektrometer angeschlossen ist, und eine Lichtquelle. Außerdem legst Du Dir zwei Filter (aus Glas und aus Quarz) bereit, die Du später zwischen Lichtquelle und Zinkplatte positionieren kannst. Anschließend sieht Dein Experiment folgendermaßen aus:

Photoeffekt Versuch StudySmarterAbb. 1: Versuch zum Photoeffekt

Nun schaltest Du die Lichtquelle an und bestrahlst die Oberfläche der Zinkplatte. Abhängig von der Ladung der Zinkplatte machst Du verschiedene Beobachtungen am Elektrometer.

Beobachtung 1:

Zuerst lädst Du die Zinkplatte positiv auf. Die Ladung wird von dem Elektrometer gemessen, das Dir nun einen bestimmten Wert anzeigt. Unabhängig davon, ob Du das Licht ein- oder ausschaltest, der Wert der Ladung bleibt konstant. Auch wenn Du die Frequenz des Lichts variierst oder einen Filter anbringst, verändert sich nichts.

Beobachtung 2:

Interessanter wird es, wenn Du die Zinkplatte negativ auflädst. Sobald Du das Licht einschaltest, entlädt sich die Platte von selbst.

Verringerst Du die Frequenz f des Lichts, passiert zunächst nichts, doch sobald eine bestimmte Grenzfrequenz fG unterschritten ist, hört die Entladung schlagartig auf. Auch wenn Du einen Glasfilter zwischen Lichtquelle und Zinkplatte anbringst, stoppt der Effekt. Das Anbringen des Quarzfilters hat dagegen keine Auswirkungen auf den Effekt.

Beobachtung 3:

Bestrahlst Du die Platte mit Licht, so gibt dieses seine Energie an die Elektronen ab. Ist die abgegebene Energie mindestens so groß, wie die Austrittsarbeit WA der Elektronen, können sie die Zinkplatte verlassen. Da negative Ladungsträger von der Platte weggehen, wird die Platte positiver: Sie entlädt sich.

Bestrahlst Du die positiv geladene Platte mit Licht, so werden die in ihr befindlichen Elektronen von der positiven Ladung festgehalten. Die Anziehungskraft ist also stärker als der Photoeffekt.

Bringst Du nun eine Apparatur an, die die Eigenschaften der herausgelösten Elektronen misst, so wirst Du zwei Dinge beobachten können. Zum einen ist kinetische Energie der Elektronen abhängig von der Lichtfrequenz, wenn diese oberhalb der Grenzfrequenz liegt. In diesem Fall nimmt die kinetische Energie mit steigender Frequent zu.

Zum anderen gilt: je höher die Intensität (Menge) des Lichts, desto mehr Elektronen werden aus der Platte gelöst. Genau diese Beobachtung haben die Physiker*innen damals auch gemacht. Einige dieser Ergebnisse ließen anschließend Zweifel an der Wellenhypothese des Lichts aufkommen.

Widerspruch zur Wellenhypothese

Deine wichtigsten Ergebnisse siehst Du in der folgenden Tabelle noch einmal anschaulich zusammengefasst:

ErgebnisBeobachtung
Ergebnis 1Der Photoeffekt setzt unmittelbar nach Einschalten der Lichtquelle ein.
Ergebnis 2Die Anzahl n der in der Zeit t herausgelösten Elektronen ist proportional zu der Intensität des Lichts.
Ergebnis 3Die kinetische Energie Ekin der Elektronen hängt von der Frequenz f des Lichts ab.
Ergebnis 4Unterhalb der Grenzfrequenz fG findet kein Photoeffekt statt.

Doch warum widersprechen nun die Ergebnisse (außer dem Zweiten) der Wellenhypothese des Lichts?

Ergebnis 1

Ist Licht eine Welle, so verteilt sich seine Energie gleichmäßig auf der Metalloberfläche. Die Elektronen müssten dadurch erst eine gewisse Energie "sammeln", um die Austrittsarbeit zu verrichten. Dazu ist eine endliche Zeitspanne nötig.

Ergebnis 2

Eine höhere Intensität des Lichts führt zu mehr Energie, die gleichmäßig auf mehr Elektronen verteilt werden kann. Deshalb können mehr Elektronen die Platte verlassen. Dieses Ergebnis wäre also mit der Wellenhypothese vereinbar.

Ergebnis 3

Eine höhere Intensität würde im Wellenmodell bedeuten, dass die Elektronen mehr Energie auf einmal bekommen, entsprechend müsste die kinetische Energie der Elektronen mit steigender Intensität zunehmen. Im Versuch hast Du aber gesehen, dass die kinetische Energie unabhängig von der Intensität ist und stattdessen von der Frequenz abhängt

Ergebnis 4

Selbst bei sehr niedriger Frequenz kann das Elektron nach einer gewissen Zeit genügend Energie gesammelt haben, um die Metalloberfläche verlassen zu können.

Das Wellenmodell allein reicht also nicht aus, um das Phänomen des äußeren Photoeffekts zu erklären.

Photoeffekt Erklärung

Licht ist also nicht mit dem klassischen Wellenmodell zu erklären. Die naheliegendste Vermutung wäre, dass Licht stattdessen ein Teilchen ist. Als Teilchen könnte Licht seine Energie einfach vollständig an ein einzelnes Elektron abgeben. Es gäbe also keine Zeitverzögerung. Eine höhere Intensität würde mehr Teilchen bedeuten, die ihre Energie an mehr Elektronen abgeben könnten, was den Photoeffekt verstärken würde (Ergebnis 2).

Doch Teilchen kannst Du nicht durch Frequenzen beschreiben: in der klassischen Physik ist dies eine Eigenschaft von Wellen. Ist Licht vielleicht etwas anderes? Etwas, das Eigenschaften von Wellen und Teilchen besitzt? Mit dieser Überlegung hast Du den ersten Schritt in Richtung Quantenmechanik gemacht.

Photoeffekt Einstein

Auch Einstein kam 1905 auf diesen Gedanken und schlug vor, Licht bestehe aus kleinen Energiepaketen, den sogenannten Lichtquanten.

Unter der Lichtquantenhypothese verstehst Du die Idee, dass Licht aus kleinen diskreten Energiepaketen besteht: den Lichtquanten (Photonen). Ihre Energie E berechnest Du aus dem Produkt ihrer Frequenz f und dem planckschen Wirkungsquantum h:

Photoeffekt Lichtquanten Formel Einstein StudySmarter

Das plancksche Wirkungsquantum ist eine Naturkonstante mit dem Wert .

Mehr zum planckschen Wirkungsquantum und seinen Anwendungen in der Quantenmechanik kannst Du im entsprechenden Erklärungen nachlesen.

Du kannst diese Formel auch in Abhängigkeit der Wellenlänge des Lichts schreiben, da sich die Frequenz f aus dem Quotienten der Lichtgeschwindigkeit c und der Wellenlänge des Lichts ergibt:

Die Lichtgeschwindigkeit ist ebenfalls eine Naturkonstante mit dem Wert . Anhand der Formel stellst Du fest, dass eine größere Wellenlänge eine kleinere Energie bedeutet. Deshalb ist Licht im blauen und ultravioletten Bereich (mit kleinerer Wellenlänge) eher in der Lage, den Photoeffekt herbeizuführen. Den Photoeffekt auf Teilchenebene kannst Du Dir folgendermaßen vorstellen:

Photoeffekt Teilchenebene StudySmarterAbb. 2: Photoeffekt

Für die Lichtquantenhypothese bekam Albert Einstein 1921 den Physiknobelpreis. Mit ihr kannst Du die Beobachtungen des Photoeffekts erklären.

Erklärung 1: Der Photoeffekt setzt unmittelbar nach Einschalten der Lichtquelle ein.

Nach Einsteins Hypothese kommt Licht in kleinen Energiepaketen. Beim Auftreffen auf die Metallplatte wird die gesamte Energie des Photons direkt an ein Elektron übertragen. Ist die Energie groß genug (also größer oder gleich der Austrittsarbeit WA), so kann das Elektronen die Platte verlassen. Es muss also nicht erst über einen gewissen Zeitraum die Energie ansammeln.

Erklärung 2: Die Anzahl n der in der Zeit t herausgelösten Elektronen ist proportional zu der Intensität des Lichts.

Eine höhere Intensität bedeutet, dass mehr Photonen auf die Metalloberfläche treffen. Wenn mehr Photonen auf die Platte treffen, können die zusätzlichen Photonen weitere Elektronen herauslösen.

Erklärung 3: Die kinetische Energie Ekin der Elektronen hängt von der Frequenz f des Lichts ab.

Anhand Einsteins Formel siehst Du, dass die Energie eines Lichtquants direkt proportional zu ihrer Frequenz f ist. Ein Teil der Energie wird für die Austrittsarbeit aufgewendet. Der Rest wird in kinetische Energie umgewandelt. Da die Austrittsarbeit für ein Material konstant ist, kann bei höherer Frequenz mehr Energie in kinetische Energie umgewandelt werden.

Erklärung 4: Unterhalb der Grenzfrequenz fG findet kein Photoeffekt statt.

Bestrahlst Du die Metallplatte mit Photonen einer sehr niedrigen Frequenz, haben diese nicht die nötige Energie, um Elektronen herauszulösen. Unterhalb dieser Grenzfrequenz hilft es auch nicht, die Intensität zu erhöhen, also mehr Photonen mit wenig Energie auf die Metalloberfläche zu schicken.

Doch wie kannst Du die Grenzfrequenz und die kinetische Energie der Elektronen nun ermitteln?

Photoeffekt Gegenfeldmethode

Dazu modifizierst Du Dein Experiment ein bisschen. Wie vorhin brauchst Du eine Lichtquelle (zum Beispiel eine Quecksilberdampflampe) und eine Metallplatte (am besten aus einem Alkalimetall).

Die Austrittsarbeit ist bei Alkalimetallen besonders klein, deshalb tritt der Photoeffekt schon bei Licht im sichtbaren Bereich ein.

Diese Metallplatte verpackst Du nun zusammen mit einer Ringanode in eine Vakuum-Lichtzelle. Nun verbindest Du Metallplatte und Elektrode über eine regelbare Spannungsquelle U miteinander. Außerdem bindest Du noch ein Amperemeter A zur Strommessung ein.

Dein Experiment sieht nun ungefähr so aus:

Photoeffekt Gegenfeldmethode StudySmarterAbb. 3: Gegenfeldmethode

Die Metallplatte lädst Du negativ (Kathode) auf, wie auch vorhin die Zinkplatte. Nun bestrahlst Du die Metallplatte mit monochromatischem (einfarbigem) Licht, also Licht mit einer einheitlichen Wellenlänge und Frequenz.

Dazu nutzt Du verschiedene Filter, die unterschiedliche Wellenlängen aus dem Spektrum der Quecksilberdampflampe filtern.

Ist Deine gewählte Frequenz größer als die Grenzfrequenz, so setzt der Photoeffekt ein und löst Elektronen aus der Metallplatte. Die Elektronen werden anschließend von der positiven Ringanode angezogen. Dadurch kannst Du mit dem Amperemeter einen sogenannten Photostrom IP messen.

Erhöhst Du die Intensität des Lichts bei ausreichender Frequenz, werden mehr Elektronen herausgelöst und der Photostrom steigt. Je stärker Du die Anode positiv auflädst, desto mehr Elektronen erreichen die Anode und desto mehr Strom fließt. Irgendwann ist ein Maximalwert Imax erreicht, an dem alle Elektronen die Anode erreichen.

Nun legst Du eine Gegenspannung an deinen Versuchsaufbau. Diese Gegenspannung erzeugt ein elektrisches Feld (Gegenfeld) zwischen der Anode und der Kathode, welches die Elektronen abbremst.

Bei der Gegenfeldmethode wird mit einer Spannung U ein elektrisches Feld (Gegenfeld) zwischen Anode und Kathode angelegt. Die Energie Eel des Gegenfeldes ergibt sich aus dem Produkt von der angelegten Spannung U und der Elementarladung e:

Photoeffekt elektrische Energie StudySmarter

Die Elementarladung e ist eine Konstante mit dem Wert .

Um das Gegenfeld zu überwinden, muss die kinetische Energie eines Elektrons mindestens genauso groß wie die elektrische Energie des Gegenfeldes sein. Erhöhst Du die Spannung, wird das Gegenfeld stärker. Dadurch können immer weniger Elektronen zur Anode gelangen und der Photostrom sinkt, bis er irgendwann null erreicht.

An diesem Punkt ist die elektrische Energie des Feldes genauso groß wie die kinetische Energie der schnellsten Elektronen Ekin, max:

Damit kannst Du die kinetische Energie der schnellsten Elektronen über die Spannung bestimmen. Nutzt Du unterschiedliche Filter für die Quecksilberdampflampe und somit Licht unterschiedlicher Frequenz, so stellst Du fest, dass unterschiedliche Spannungen nötig sind, um den Photostrom auf null zu senken (bzw. unterhalb der Grenzfrequenz kommt es gar nicht erst zu einem Photostrom).

Nicht alle Elektronen besitzen die gleiche kinetische Energie, deshalb sprichst Du hier von der maximalen kinetischen Energie.

Aus dieser Beziehung kannst Du nun auch die Austrittsarbeit bestimmen.

Photoeffekt Formel

Stell Dir dazu ein einzelnes Photon vor, mit der Energie EP:

Das Photon trifft auf ein Elektron an der Metalloberfläche und überträgt ihm seine gesamte Energie. Mit dieser Energie kann das Elektron nun Austrittsarbeit WA verrichten und die Metallplatte verlassen. Die restliche Energie wird nach dem Energieerhaltungssatz in kinetische Energie umgewandelt:

Die kinetische Energie des Elektrons ist also die Energie, die es vom Photon erhalten hat minus der Energie, die es für die Austrittsarbeit aufgewendet hat. Nun misst Du mit der Gegenfeldmethode die Spannung U, die Du brauchst, damit das Elektron das elektrische Feld nicht mehr überwinden kann. Dies entspricht seiner maximalen kinetischen Energie:

Eingesetzt in die Gleichung, erhältst Du durch Umstellen also die Austrittsarbeit.

Indem Du die maximale kinetische Energie Ekin,max der herausgelösten Elektronen mit der elektrischen Energie Eel gleichsetzt, kannst Du die Austrittsarbeit WA berechnen.

Photoeffekt Austrittsarbeit Formel StudySmarter

Sie ist gleich dem Produkt aus planckschem Wirkungsquantum h und der Frequenz f minus dem Produkt aus der angelegten Spannung U und der Elementarladung e.

Die Austrittsarbeit ist also die Differenz der Energie des Photons und der elektrischen Energie des Gegenfelds, ab der die Elektronen dieses nicht mehr überwinden können – also kein Photostrom mehr fließt.

Plottest Du nun in einem Graphen die Frequenz f in 1014 Hertz (x-Achse) gegen die Energie E in Elektronenvolt (y-Achse) des Gegenfeldes, so erhältst Du die folgende Gerade:

Photoeffekt Energie Frequenz Graph Formel StudySmarterAbbildung 4: Graph zu Energie und Frequenz beim Photoeffekt

Ein Photostrom entsteht nur, wenn auch Elektronen aus der Metallplatte herausgelöst werden. Bei sehr niedrigen Frequenzen übertragen die Photonen nicht genügend Energie, um die Elektronen aus der Metallplatte zu lösen. Erst wenn die Austrittsarbeit geleistet werden kann, kommt es zum Photostrom. Die Grenzfrequenz fG findest Du am Schnittpunkt der Geraden mit der x-Achse. Der Schnittpunkt mit der y-Achse stellt dagegen die benötigte Austrittsarbeit WA dar.

Der bunte Abschnitt an der x-Achse zeigt Dir die Frequenz im sichtbaren Bereich des Lichts.

Der äußere Photoeffekt ist am bekanntesten, da er ein wichtiger Schritt zur Entschlüsselung der seltsamen Eigenschaften des Lichts war. Inzwischen sind allerdings noch weitere Arten des Photoeffekts bekannt.

Molekularer Photoeffekt

Der molekulare Photoeffekt funktioniert ähnlich zu dem äußeren Photoeffekt. Er findet dabei auf dem Level von Atomen und Molekülen statt. Elektronen befinden sich in verschiedenen Energiezuständen im Atom. Im Bohrschen Atommodell, wie Du es auf der Abbildung siehst, entsprechen diese Energieniveaus den Schalen in der Atomhülle. Elektronen können zwischen den Energieniveaus wechseln, indem sie Energie absorbieren oder abgeben.

Alles zum Thema Bohrsches Atommodell findest Du in der gleichnamigen Erklärung.

Die äußeren Schalen entsprechen dabei höheren Energieniveaus. Ein Elektron muss also eine bestimmte Energiemenge aufnehmen, um auf eine höhere Schale zu gelangen. Dies kann es zum Beispiel durch Absorption eines Photons erreichen.

Photoeffekt Energieniveaus Atom StudySmarterAbb. 5: Energieniveaus im Atom

Ist die übertragene Energie groß genug, so können Elektronen sogar das Atom verlassen. Die dafür nötige Energie bezeichnest Du als Ionisierungsenergie. Atome sind neutral geladen, da die Anzahl der positiv geladenen Protonen im Kern gleich der Anzahl der negativ geladenen Elektronen in der Atomhülle ist. Werden nun (z.B. durch den molekularen Photoeffekt Elektronen aus der Hülle entfernt, so kommt es zu einem Ladungsungleichgewicht.

Atome, bei denen die Anzahl von Protonen und Elektronen nicht gleich ist, bezeichnest Du als Ionen. Deshalb sprichst Du auch von Photoionisation.

Beim molekularen Photoeffekt (auch Photoionisation) übertragen hochenergetische Photonen ihre Energie an Elektronen, sodass diese das Atom verlassen können. Zurück bleibt ein positiv geladenes Ion.

Mehr zu dem Thema kannst Du auch in der Erklärung zum atomaren Energieaustausch nachlesen.

Da die Ionisierungsenergie der meisten Atome sehr hoch ist, findet der molekulare Photoeffekt hauptsächlich bei Photonen im Hochfrequenzbereich statt, zum Beispiel bei Röntgen- oder Gammastrahlung.

Innerer Photoeffekt

Die Bezeichnung äußerer Photoeffekt lässt schon darauf schließen, dass es ein Gegenstück – einen inneren Photoeffekt – geben könnte. Tatsächlich ist dieser innere Photoeffekt zwar weniger bekannt, spielt aber heute eine wichtige Rolle in der Welt der Photovoltaik.

Die Photovoltaik-Technologie beschäftigt sich mit der Gewinnung von elektrischer Energie aus Sonnenlicht.

Grundlage des inneren Photoeffekts ist wie auch beim äußeren und molekularen Photoeffekt die Energieübertragung von einem Photon auf ein Elektron. Im Unterschied zum äußeren Photoeffekt findet der innere Photoeffekt in Halbleitermaterialien statt und die Elektronen verlassen das Material nicht.

Der innere Photoeffekt findet in Halbleitermaterialien statt. Dabei übertragen Photonen ihre Energie an Elektronen, wodurch diese vom Valenzband zum Leitungsband des Halbleitermaterials wechseln können.

Valenz- und Leitungsband kannst Du Dir ein wenig wie spezielle Energieniveaus von Halbleitern vorstellen. Das Valenzband ist das höchste Energieniveau im Atom. Auch außerhalb der Atombindung können Elektronen gewisse Energieniveaus haben. Das Leitungsband ist das niedrigste Energieniveau von Elektronen außerhalb des Kerns.

Die Energiedifferenz zwischen Valenz- und Leitungsband bezeichnest Du als Bandlücke.

Damit ein Elektron vom Valenz- auf das Leitungsband wechseln kann, muss die übertragene Energie des Photons mindestens genauso groß wie die Bandlücke sein.

Photoeffekt Halbleiter Energieniveaus StudySmarterAbb. 6: Energieniveaus im Halbleiter

Befinden sich die Elektronen außerhalb des Atoms, können sie sich frei im Halbleitermaterial bewegen. Indem Du ein elektrisches Feld anlegst, kannst Du durch die Elektronen in Richtung Pluspol bewegen: Es entsteht ein elektrischer Stromfluss.

Photovoltaik

Genau dieses Prinzip kannst Du Dir zunutze machen, um Energie aus Sonnenlicht zu gewinnen. Solarzellen bestehen aus zwei verschiedenen Silizium-Halbleitern, die übereinander gelegt werden. In einer Schicht ist dem Silizium etwas Phosphor beigemischt, sie ist n-dotiert. Der anderen Schicht ist etwas Bor beigemischt, Du sprichst von p-Dotierung.

Mehr zu p/n-Dotierung findest Du in den entsprechenden Erklärungen.

In der n-dotierten Schicht herrscht ein Elektronenüberschuss, in der p-dotierten Schicht herrscht dagegen ein Elektronenmangel. Zwischen den Schichten befindet sich eine Grenzschicht. Über diese Grenzschicht fließen nun Elektronen von der n- zur p-dotierten Schicht. So viel, dass die n-Schicht eine positive Ladung bekommt und die p-Schicht eine negative: Ein elektrisches Feld entsteht.

Den Aufbau einer solchen Solarzelle zeigt Dir die folgende Abbildung.

Photoeffekt Solarzelle StudySmarterAbb. 7: Solarzelle

Treffen nun Photonen aus dem Sonnenlicht auf die obere n-Schicht, kommt es zum inneren Photoeffekt und einige Elektronen wechseln ins Leitungsband des Halbleiters. Dort können sich frei bewegen. Dort, wo vorher ein Elektron war, befindet sich nun ein positiv geladenes Elektronenloch.

Die Elektronen bewegen sich nun in Richtung positiver Ladung, die zugehörigen Elektronenlöcher in Richtung der negativen Ladung. Es entsteht ein Stromfluss, der ins Stromnetzwerk eingespeist werden kann.

Könnten wir diesen Effekt nun nutzen, um die Energieprobleme der Menschheit zu lösen? In der Theorie ist dies eine großartige Idee, die auch zunehmend an Einfluss gewinnt. Leider ist Solarenergie sehr unzuverlässig, während Gewitter oder in der Nacht produzieren Solaranlagen keinen Strom. Hinzu kommt der bisher sehr niedrige Wirkungsgrad: Die Solaranlagen können nicht das gesamte Sonnenlicht in eine für uns nutzbare Energie umwandeln.

Mehr zum Thema Wirkungsgrad erfährst Du in entsprechenden Erklärungen.

Dennoch wird intensiv an der Verbesserung der Solartechnik gearbeitet und vielleicht wird es tatsächlich in naher Zukunft möglich sein, einen Großteil unseres Energiebedarfs durch Sonnenlicht zu decken.

Photoeffekt - Das Wichtigste

  • Unter dem photoelektrischen Effekt (kurz: Photoeffekt) verstehst Du das Phänomen, dass Elektronen durch Absorption von Licht aus einem Atom oder Medium gelöst werden. Diese Elektronen bezeichnest Du als Photoelektronen.
  • Der äußere Photoeffekt bezeichnet das Herauslösen von Elektronen aus einer Metalloberfläche durch die Bestrahlung mit Licht. Die Photoelektronen verlassen die Oberfläche mit einer gewissen kinetischen Energie Ekin.
  • Unter der Lichtquantenhypothese verstehst Du die Idee, dass Licht aus kleinen diskreten Energiepaketen besteht: den Lichtquanten (Photonen). Ihre Energie E berechnest Du aus dem Produkt ihrer Frequenz f und dem planckschen Wirkungsquantum h:

  • Bei der Gegenfeldmethode wird mit einer Spannung U ein elektrisches Feld (Gegenfeld) zwischen Anode und Kathode angelegt. Die Energie Eel des Gegenfeldes ergibt sich aus dem Produkt von der angelegten Spannung U und der Elementarladung e:

  • Die Austrittsarbeit des Elektrons entspricht der Differenz aus der Photonenenergie und der elektrischen Energie des Gegenfelds:

  • Beim molekularen Photoeffekt (auch Photoionisation) übertragen hochenergetische Photonen ihre Energie an Elektronen, sodass diese das Atom verlassen können. Zurück bleibt ein positiv geladenes Ion.
  • Der innere Photoeffekt findet in Halbleitermaterialien statt. Dabei übertragen Photonen ihre Energie an Elektronen, wodurch diese vom Valenzband zum Leitungsband des Halbleitermaterials wechseln können.

Nachweise

  1. qudev.phys.ethz.ch: Kapitel 2 Der Photoeffekt. (27.05.2022)
  2. spektrum.de: Photoionisation. (30.05.2022)
  3. TED-Ed.com: How do Solar pannels work?. (30.05.2022)

Häufig gestellte Fragen zum Thema Photoeffekt

Unter dem photoelektrischen Effekt (kurz: Photoeffekt) verstehst Du das Phänomen, dass Elektronen durch Absorption von Licht aus einem Atom oder Medium gelöst werden.

Der Photoeffekt beweist, dass Licht aus kleinen Energiepaketen, den Lichtquanten, besteht.

Beim Photoeffekt trifft Licht auf ein Medium (z.B. eine Metallplatte) und löst dadurch die Elektronen aus ihrer Bindung.

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

Erkläre, was Du allgemein unter dem Photoeffekt verstehst.

Antwort anzeigen

Antwort

Unter dem photoelektrischen Effekt (kurz: Photoeffekt) verstehst Du das Phänomen, dass Elektronen durch Absorption von Licht aus einem Atom oder Medium gelöst werden. Diese Elektronen bezeichnest Du als Photoelektronen.


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Frage

Gib an, was beim äußeren Photoeffekt passiert.

Antwort anzeigen

Antwort

Der äußere Photoeffekt bezeichnet das Herauslösen von Elektronen aus einer Metalloberfläche durch die Bestrahlung mit Licht. Die Photoelektronen verlassen die Oberfläche mit einer gewissen kinetischen Energie Ekin.


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Frage

Gib die Formel zur Berechnung der Energie EPh eines Photons an.

Antwort anzeigen

Antwort

Du berechnest die Energie eines Photons als Produkt aus dem planckschen Wirkungsquantum h und seiner Frequenz f:


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Frage

Beschreibe Einsteins Lichtquantenhypothese.

Antwort anzeigen

Antwort

Unter der Lichtquantenhypothese verstehst Du die Idee, dass Licht aus kleinen diskreten Energiepaketen besteht: den Lichtquanten (Photonen).

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Frage

Erkläre kurz das Prinzip der Gegenfeldmethode.

Antwort anzeigen

Antwort

  • Bei der Gegenfeldmethode wird mit einer Spannung U ein elektrisches Feld (Gegenfeld) zwischen Anode und Kathode angelegt. 
  • Die Energie des Gegenfelds wird erhöht bis keine Elektronen mehr die Anode erreichen.
  • Dadurch wird die kinetische Energie der Elektronen bestimmt.

Frage anzeigen

Frage

Nenne die 3 Arten des Photoeffekts.

Antwort anzeigen

Antwort

Du kannst die folgenden 3 Varianten unterscheiden:

  • Innerer Photoeffekt
  • Äußerer Photoeffekt
  • Molekularer/ Atomarer Photoeffekt

Frage anzeigen

Frage

Gib die Formel zur Berechnung der Austrittsarbeit der Elektronen an.

Antwort anzeigen

Antwort

Du berechnest die Austrittsarbeit WA mit der folgenden Formel:

Dabei ist h das plancksche Wirkungsquantum, f die Frequenz des einfallenden Lichts, U die Spannung des Gegenfelds und e die Elementarladung.

Frage anzeigen

Frage

Beschreibe kurz den molekularen Photoeffekt.

Antwort anzeigen

Antwort

Beim molekularen Photoeffekt (auch Photoionisation) übertragen hochenergetische Photonen ihre Energie an Elektronen, sodass diese das Atom verlassen können. Zurück bleibt ein positiv geladenes Ion.


Frage anzeigen

Frage

Erkläre kurz den inneren Photoeffekt.

Antwort anzeigen

Antwort

Der innere Photoeffekt findet in Halbleitermaterialien statt. Dabei übertragen Photonen ihre Energie an Elektronen, wodurch diese vom Valenzband zum Leitungsband des Halbleitermaterials wechseln können.


Frage anzeigen

Frage

Gib die Gleichung für die Energie des Gegenfelds bei der Gegenfeldmethode an.

Antwort anzeigen

Antwort

Die Energie Eel des Gegenfelds ist das Produkt aus der angelegten Spannung U und der Elementarladung e:


Frage anzeigen

Frage

Gib die wichtigsten 4 Beobachtungen beim Experiment von Hallwachs für den äußeren Photoeffekt an

Antwort anzeigen

Antwort

  1. Der Photoeffekt setzt unmittelbar nach Einschalten der Lichtquelle ein.
  2. Die Anzahl n der in der Zeit t herausgelösten Elektronen ist proportional zu der Intensität des Lichts.
  3. Die kinetische Energie Ekin der Elektronen hängt von der Frequenz f des Lichts ab.
  4. Unterhalb der Grenzfrequenz fG findet kein Photoeffekt statt

Frage anzeigen

Frage

Erkläre den Begriff Austrittsarbeit im Kontext des Photoeffekts.

Antwort anzeigen

Antwort

Die Austrittsarbeit WA bezeichnet die Energie , die ein Elektron braucht, um ein Medium zu verlassen.

Frage anzeigen

Frage

Erkläre, wie Du erkennst, dass Elektronen beim äußeren Photoeffekt die Metallplatte verlassen haben.

Antwort anzeigen

Antwort

Die herausgelösten Elektronen werden von der Anode angezogen. Treffen sie dort auf, entsteht ein messbarer Strom: der sogenannte Photostrom. 

Frage anzeigen

Frage

Gib an, in welcher Technologie der Photoeffekt heute vor allem genutzt wird.

Antwort anzeigen

Antwort

Der innere Photoeffekt wird heute vor allem in der Photovoltaik eingesetzt, um nachhaltige Energie aus Sonnenlicht zu gewinnen.

Frage anzeigen

Frage

Nenne den Physiker, der erstmals den Photoeffekt vollständig erklären konnte.

Antwort anzeigen

Antwort

Albert Einstein 

Frage anzeigen

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