Techniklexikon

Photoeffekt

Wirkung, die durch optische Strahlung verursacht wird. • Der äußere P. bewirkt, daß Strahlung aus einem Festkörper ein Elektron herauslöst. Die Strahlung muß dabei die Energie der Austrittsarbeit des betrachteten Materials haben. Empfänger, die den äußeren P. ausnutzen, sind Photozellen und SEV. • Der innere P. löst im Inneren eines Festkörpers eine elektrische Erscheinung aus. Durch diesen P. kann die elektrische Leitfähigkeit verändert (Photowiderstand, Photodiode in Sperrichtung) oder an einem Übergang zweier Halbleiter oder einem sonstigen Übergang (Halbleiter - Metall) eine Photospannung erzeugt werden (Photoelement). OptikAtom- und Molekülphysik, photoelektrischer Effekt, Hertz-Effekt, bezeichnet allgemein die Auslösung von Elektronen (sog. Photoelektronen) aus Metalloberflächen, die mit Licht bestrahlt werden. Bei Festkörpern kann unterschieden werden zwischen einem äusseren Photoeffekt (Photoemission), bei dem die angeregten Elektronen den Festkörper verlassen, und einem inneren, der bezüglich Elektronen nur in Halbleitern und Isolatoren auftritt (Auger-Effekt) und bei dem Elektronen ins Leitungsband bzw. Löcher ins Valenzband angeregt werden. Generell findet die Elektronenemission erst dann statt, wenn die Frequenz der elektromagnetischen Strahlung eine für jedes Metall charakteristische Grenzfrequenz überschreitet. Oberhalb dieser findet Elektronenemission auch bei sehr geringen Lichtintensitäten statt; die kinetische Energie der Photoelektronen hängt linear von der Frequenz der einfallenden Strahlung ab.

Der Photoeffekt wurde 1887 von H. Hertz bei seinen Untersuchungen zur Ausbreitung elektrischer Wellen entdeckt. Hertz stellte fest, dass die Funkenzahl einer elektrischen Entladung durch Bestrahlung der Kathode durch ultraviolettes Licht erhöht werden kann. Sein Schüler W.L.F. Hallwachs - von dem der Name Hallwachs-Effekt herrührt, der manchmal auch für diesen sog. äusseren Photoeffekt benutzt wird - untersuchte 1888 daraufhin diesen Effekt quantitativ, indem er eine isoliert aufgestellte Metallplatte mit UV-Licht bestrahlte, die sich dadurch elektrisch auflud. P.E.A. Lenard, J. Elster und H.F. Geitel entdeckten, dass die Geschwindigkeit der Elektronen nicht von der Intensität des Lichtes abhängig ist, sondern dass diese nur die Anzahl der ausgelösten Elektronen beeinflusst. Diese Ergebnisse liessen sich nicht durch die klassische Intuition erklären, nach der die Energie eines Lichtstrahls der Lichtintensität proportional ist; der Photoeffekt ist damit eines der Experimente, die später zur Entwicklung der Quantenmechanik führten.

Dies veranlasste A. Einstein 1905 zur Formulierung seiner Lichtquantenhypothese, die die Erklärung für den Photoeffekt lieferte:

Jedes Photon (Lichtquant) hat eine Energie hn. Trifft ein Photon auf die Metalloberfläche auf, so gibt es seine gesamte Energie an ein Metallelektron ab. Ist die Energie ausreichend zur Überwindung der Austrittsarbeit , so verlässt das Elektron die Metalloberfläche. Überschüssige Energie  wird in kinetische Energie umgewandelt. Da eine Kollision eines einzigen Photons mit der Metalloberfläche zur Emission eines Photoelektrons führen kann, beobachtet man den Photoeffekt schon bei geringen Lichtintensitäten, denn dies bedeutet ja nur, dass die Anzahl der eingestrahlten Photonen klein ist. Die Energie eines jeden Photons beträgt immer hn, unabhängig von der Anzahl.

Aus der Messung der Elektronenenergie für verschiedene Lichtfrequenzen lassen sich die Austrittsarbeit eines Metalles und das Verhältnis h / e bestimmen.

In neueren Experimenten, in denen Metalloberflächen mit Laserstrahlung hoher Intensität bestrahlt werden, wurde eine Elektronenemission sogar bei Lichtfrequenzen unterhalb der Grenzfrequenz gefunden. Dies wird durch die sog. Multiphotonabsorption verursacht: Bei Intenstitäten von » 10²¹ Photonen pro Sekunde und cm² ist die Wahrscheinlichkeit für Zweiphotonenabsorption vergleichbar mit der für die Absorption eines einzigen Photons.

Photoeffekt: Skizze der Anordnung zum Nachweis des Photoeffekts (PK: Photokathode, A: Anode, G: Galvanometer).