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Fotoelektrischer Effekt



Der Fotoelektrische Effekt bzw. Photoelektrische Effekt, auch Fotoeffekt bzw. Photoeffekt oder Lichtelektrischer Effekt genannt, behandelt das Freisetzen elektrisch geladener Teilchen aus einem Material, wenn dieses von elektromagnetischer Strahlung (etwa Licht oder Ultraviolettstrahlung) beleuchtet wird.

Vier nahe verwandte, aber leicht unterschiedliche Phänomene werden heute unter dem Begriff fotoelektrischer Effekt zusammengefasst:

  1. Äußerer fotoelektrischer Effekt (ist fast immer gemeint, wenn vom photoelektrischen Effekt die Rede ist),
  2. Innerer fotoelektrischer Effekt,
  3. Fotoionisation (auch atomarer oder molekularer Fotoeffekt),
  4. Fotovoltaischer Effekt.

In allen Fällen wird von einem Photon Energie an ein Elektron übertragen. Dieses energetische Elektron kann unterschiedliche Phänomene bewirken.

Table of contents
1 Äußerer fotoelektrischer Effekt
2 Innerer photoelektrischer Effekt
3 Fotovoltaischer Effekt
4 Weblinks

Äußerer fotoelektrischer Effekt

Der äußere fotoelektrische Effekt wurde 1887 von Heinrich Hertz und Wilhelm Hallwachs beobachtet. Manche unoxidierte Metalle geben im aufgeladenen Zustand Elektronen ab, wenn ihre Oberfläche durch Licht bestrahlt wird. Die von den Elektronen aufgenommene kinetische Energie hängt von der Wellenlänge (Frequenz, Farbe) des bestrahlenden Lichtes ab und nicht von der Lichtintensität. Dies stand im Gegensatz zur klassischen Physik (klassische Mechanik, und Elektrodynamik), die dies nicht erklären konnte, da nach allem, was man damals wusste die Energie einer Welle von deren Amplitude und nicht von der Frequenz abhängig ist. Albert Einstein zeigte 1905, dass eine Beschreibung des Lichts durch Lichtquanten, heute Photonen genannt, den Effekt gut erklären kann. Insofern gilt der Photoelektrische Effekt als eines der Schlüsselexperimente zur Begründung der Quantenphysik, da er den Versuch mit Lichtquanten (Photonen) erklärte. Einstein wurde 1921 für diese Arbeit mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet.

Schon Isaac Newton hatte Lichtteilchen angenommen. Die Vorstellung von Lichtteilchen galt im 19. Jahrhundert als überholt. Durch Interferenzexperimente und die großartige Übereinstimmung vieler Experimente mit Maxwells Elektrodynamik, die Licht als elektromagnetische Welle auffasste, war der Wellencharakter des Lichtes unbestritten.

Einsteins Erklärungen des photoelektrischen Effektes waren vor diesem Hintergrund eine mutige und gewagte Hypothese. Die Frage, ob Licht nun aus Wellen oder Teilchen bestehe, kann seitdem nicht mehr so gestellt werden. Licht zeigt sowohl Wellencharakter, als auch Teilchencharakter, dieses Phänomen wird als Welle-Teilchen-Dualismus bezeichnet.

Mikroskopisch erklärte Einstein diesen Effekt durch die Übergabe der Energie eines Photons an ein im Material gebundenes Elektron. Das Elektron muss mindestens soviel Energie erhalten, um die vom Material abhängige Austrittsarbeit zu überwinden, mit der es an das Material gebunden ist, so dass man einen Effekt beobachten kann. Einstein schlug vor, anzunehmen, dass die Energie der einfallenden Photonen von ihrer Wellenlänge abhängt (h ist das plancksche Wirkungsquantum).

Folglich gibt es für jedes Material eine minimale Wellenlänge, bei der dieser Effekt auftritt.

Die herausgeschlagenen Elektronen verlassen das Material mit kinetischer Energie. Sie erzeugen eine Ladungstrennung (Spannung), die von der Lichtwellenlänge abhängt. Der daraus resultierende Strom, der Photostrom, kann nachgewiesen werden und hängt von der Intensität des einfallenden Lichtes ab.

Fotozellen nutzen diesen Effekt aus.

Innerer photoelektrischer Effekt

Dieser Effekt wird in Festkörpern beobachtet, bei denen die Elektronen im nichtleitenden Valenzband sind und nur eine schwache elektrische Leitung möglich ist. Durch Photonen werden Elektronen in ein energetisch höhergelegenes Leitungsband gehoben, so dass das Material unter Beleuchtung besser leitet.

Fotovoltaischer Effekt

Der fotovoltaische Effekt basiert auf dem inneren fotoelektrischen Effekt. Zusätzlich wird ein P-n-Übergang benötigt. An dem Übergang findet eine Ladungstrennung statt. Das entstehende elektrische Spannungsgefälle kann für die Wandlung der Strahlungsenergie in elektrische Energie genutzt werden.

Der Photovoltaische Effekt ist Grundlage von Solarzellen.

Weblinks




     
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