7.4: Photoelektrischer Effekt

Wenn Licht einer bestimmten Wellenlänge auf eine Metalloberfläche trifft, werden Elektronen emittiert. Dies wird als photoelektrischer Effekt bezeichnet. Die minimale Frequenz des Lichts, das eine solche Elektronenemission verursachen kann, wird als Schwellenfrequenz bezeichnet und ist für das Metall spezifisch. Licht mit einer niedrigeren Frequenz kann, selbst wenn es von hoher Intensität ist, nicht die Emission von Elektronen auslösen. Wenn die Frequenz jedoch höher als der Schwellenwert ist, wird die Anzahl der ausgestoßenen Elektronen direkt proportional zur Intensität des Strahls.

Nach der klassischen Wellentheorie hängt die Energie einer Welle von ihrer Intensität (die von ihrer Amplitude abhängt) und nicht von ihrer Frequenz ab. Ein Teil dieser Beobachtungen bestand darin, dass die Anzahl der innerhalb eines bestimmten Zeitraums ausgestoßenen Elektronen mit zunehmender Helligkeit zunahm. Im Jahr 1905 gelang es Albert Einstein, das Paradox zu lösen, indem er die Forschungsergebnisse Planck's in die damals diskreditierte Theroie des Lichts als Teilchen einbezog.

Einstein argumentierte, dass die von Planck postulierten quantisierten Energien auf das Licht im photoelektrischen Effekt angewendet werden könnten. Das auf die Metalloberfläche auftreffende Licht sollte nicht als Welle, sondern als Strom von Teilchen (später Photonen genannt) betrachtet werden, deren Energie von ihrer Frequenz abhängt. Die Energiemenge (E) in einem Lichtpaket hängt somit von ihrer Frequenz (ν) ab gemäß der folgenden Gleichung:

wobei h das Plancksche Wirkungsquantum ist.

Der photoelektrische Effekt kann durch die Annahme beschrieben werden, dass das Licht quantisiert ist. Um die Bindungsenergie (Φ) eines Elektrons zu überwinden, ist eine bestimmte Mindestenergie erforderlich. Dies wird auch als die Austrittsarbeit (W) des Metalls bezeichnet.

Da die Elektronen im Metall durch eine bestimmte Bindungsenergie gebunden sind, muss das einfallende Licht eine höhere Energie besitzen um die Elektronen freizusetzen. Photonen niederfrequenten Lichts enthalten nicht genug Energie, um Elektronen aus dem Metall auszustoßen. Selbst wenn das Metall über einen längeren Zeitraum diesem Licht ausgesetzt wird, wird keine Emission von Elektronen beobachtet. Ein Elektron kann nur emittiert werden, wenn ein Photon mit einer Energie größer als die Austrittsarbeit auf das Metall trifft.

Die überschüssige Energie des Photons wird in kinetische Energie des emittierten Elektrons umgewandelt.

Daher werden Elektronen ausgestoßen, wenn sie von Photonen mit ausreichender Energie (einer Frequenz über dem Schwellenwert) getroffen werden. Je höher die Frequenz des einfallenden Lichts, desto größer ist die kinetische Energie, die durch die Kollisionen auf die austretenden Elektronen übertragen wird. Einstein argumentierte auch, dass die Lichtintensität nicht von der Amplitude der einfallenden Welle abhänge, sondern vielmehr der Anzahl der Photonen entspreche, die innerhalb eines bestimmten Zeitraums auf die Oberfläche auftreffen. Die Anzahl der ausgestoßenen Elektronen nimmt mit der Intensität zu. Je mehr Photonen einfallen, desto wahrscheinlicher ist es, dass sie auch mit einigen Elektronen kollidieren.

Der photoelektrische Effekt ist ein wichtiges Beispiel für das Teilchenverhalten von Licht. Für seine Erklärung des photoelektrischen Effekts erhielt Einstein 1921 den Nobelpreis für Physik. Obwohl viele Lichtphänomene entweder durch seine Wellen- oder Teilchennatur erklärt werden konnten, widersprachen bestimmte Phänomene, wie etwa die Interferenzmuster die beim Durchgang von Licht durch einen Doppelspalt entstehen, völlig der Sicht von Licht als Teilchen während andere Phänomene, wie etwa die Photoelektrizität, entgegen der Betrachtung von Licht als Welle stehen. Somit folgt Licht, auf einer fundamentalen Ebene die immer noch nicht vollständig verstanden wird, sowohl dem Verhalten von Wellen als auch Teilchen. Dies wird als Welle-Teilchen-Dualität bezeichnet.

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Wenn Licht einer bestimmten Wellenlänge und Frequenz auf ein Metall trifft, werden Elektronen aus dem Metall herausgeschleudert. Dieses Phänomen ist als photoelektrischer Effekt bekannt. Allerdings kann nur Licht oberhalb einer bestimmten Frequenz Elektronen aus dem Metall herausschleudern.

Licht mit niedrigen Frequenzen stößt keine Elektronen aus, unabhängig von seiner Intensität. Wie ist das möglich? Albert Einstein schlug die Theorie vor, dass das Licht sich wie ein Strom von Teilchen oder winzigen Paketen verhält.

Ein Paket oder Quantum von Licht wird Photon genannt. Jedes Photon hat eine Energie E die von seiner Frequenz nu abhängt. Die beiden sind durch diese Gleichung miteinander verbunden, wobei h die Planck'sche Konstante ist und hat einen Wert von 6, 626 mal 10 hoch 34 Joule Sekunden.

Licht, und damit Photonen, mit höherer Frequenz haben mehr Energie. Ein Elektron ist an ein Metall mit einer Bindungsenergie gebunden. Dies ist auch bekannt als die Arbeitsfunktion des Metalls, W.Also, eine Energiemenge größer als W ist erforderlich, um die Anziehungskräfte zu überwinden und das Elektron zu verdrängen.

Wenn ein Photon mit einer Energie größer als W auf das Metall trifft, wird seine überschüssige Energie als kinetische Energie auf das Elektron übertragen und das Elektron wird ausgestoßen. Um den photoelektrischen Effekt zusammenfassen langwelliges Licht mit niedriger Frequenz stößt keine Elektronen aus dem Metall aus. Erhöhung der Intensität von langwelligem Licht erhöht nur die Anzahl der Photonen.

Jedes Photon hat immer noch die gleiche Energie, was nicht ausreicht, um irgendwelche Elektronen zu verdrängen. Licht kürzerer Wellenlänge mit einer Frequenz höher als die Grenzfrequenz wirft Elektronen aus, weil jedes Photon eine höhere Energie hat. Wenn die Frequenz des Lichts zunimmt, so auch die Energie des Photons, und damit die kinetische Energie des ausgestoßenen Elektrons.

Je größer die Lichtintensität, desto mehr Photonen treffen auf das Metall, und desto größer ist die Anzahl der Elektronen, die ausgestoßen werden. Der photoelektrische Effekt zeigt das Teilchenverhalten von Licht.