Photoelektrischer Effekt

Der Photoelektrische Effekt, auch 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 photoelektrischer Effekt zusammengefasst:

1. Äußerer photoelektrische Effekt (ist fast immer gemeint, wenn vom photoelektrischen Effekt die Rede ist),
2. Innerer photoelektrischer Effekt,
3. Photoionisation (auch atomarer oder molekularer Photoeffekt),
4. Photovoltaischer Effekt.

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

Table of contents

1 Äußerer photoelektrischer Effekt 2 Photoionisation (atomarer, molekularer Photoeffekt) 3 Innerer photoelektrischer Effekt 4 Photovoltaischer Effekt

Äußerer photoelektrischer Effekt

Der äußere photoelektrische Effekt wurde 1887 von Heinrich Hertz und Wilhelm Hallwachs beobachtet. Manche Metalle geben einen elektrischen Strom ab, wenn ihre Oberfläche durch Licht bestrahlt wird. Theorien der klassischen Physik konnten die Eigenschaften des Effektes nicht erklären. 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. Einstein wurde 1921 für diese Arbeit mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet.

Mikroskopisch erklärt sich der 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 der Material gebunden ist, so dass man einen Effekt beobachten kann. Da die Energie der einfallenden Photonen von ihrer Wellenlänge abhängt, gibt es für jedes Material eine minimale Wellenlänge, bei der dieser Effekt auftritt.

Die herausgeschlagenen Elektronen verlassen das Material und können durch den von ihnen erzeugten elektrischen Strom nachgewiesen werden. Die Intensität dieses Stroms ist proportional zur Intensität des einfallenden Lichtes.

Photozellen nutzen diesen Effekt aus.

Photoionisation (atomarer, molekularer Photoeffekt)

Ein Atom oder Molekül wird von einem Photon getroffen, und ein Elektron wird herausgelöst. Man beobachtet, dass ein ionisiertes Atom oder Molekül übrigbleibt.

Dieser Effekt wird insbesondere bei Röntgen oder Gammastrahlung beobachtet. Man spricht auch von Ionisierender Strahlung.

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.

Photovoltaischer Effekt

Der photovoltaische Effekt basiert auf dem inneren photoelektrischen 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.