Der photoelektrische Effekt ist ein physikalischer Vorgang und erfordert das Verständnis zur Wechselwirkung zwischen Licht und Elektronen in der Materie.
Dieses Phänomen wurde erstmals von Heinrich Hertz im Jahr 1887 beobachtet, als er merkte, dass kurzwelliges Licht dazu führte, dass Elektronen aus einer Metalloberfläche austraten, und zwar abhängig von der Frequenz und unabhängig von der Intensität. Erst Einstein konnte den Effekt genau erklären und bekam dafür 1905 den Nobelpreis für Physik.
Der Effekt tritt auf, wenn Licht auf eine metallische Oberfläche trifft. Ist die Energie des Teilchens größer als die Austrittsarbeit Wa des Metalls werden Elektronen frei gesetzt, ist die Teilchen Energie unterhalb dieser Wa Schwelle bleiben die Teilchen im Metall gebunden.
Einstein konnte diesen Effekt nur dadurch erklären, in dem er das Licht als Teilchenstrom – Photonen – und nicht als Welle betrachtete. Dieser Welle/Teilchen Dualismus führte zu seiner Theorie, dass Licht aus Quanten – Stücken – besteht, die ein Energiepaket tragen.
Die Energie eines einzelnen Photons ist proportional zur Frequenz und kann durch die Beziehung E = h mal f berechnet werden, wobei E die Energie des Photons, h das Plancksche Wirkungsquantum und f die Frequenz des Lichts sind. Photonen haben keine Masse und sind mit Lichtgeschwindigkeit unterwegs.
Trifft nun ein Photon auf ein Elektron im Metall und hat dazu noch genügend Energie, kann es dieses Elektron aus seiner Bindung zum Atom lösen und als Photoelektron aus dem Material heraustreten. Dabei gilt das Gesetz der Energieerhaltung: Die Energie des Photons wird auf das Elektron übertragen und ist deren Energie größer als die Austrittsarbeit, dann wird die überschüssige Energie in kinetische Energie des Elektrons gewandelt. Nur Metalle mit geringer Austrittsarbeit eignen sich für den photoelektrischen Effekt.
Der photoelektrische Effekt und die Dualität zwischen Welle und Teilchen kann im Doppelspalt-Experiment nachgewiesen werden. Es hat die Physik revolutioniert und führte zwangsläufig zur Entwicklung der Quantenmechanik.
Wer mehr wissen will, sei auf die YouTube Videos von Prof. Paul Wagner verwiesen. Paul erklärt in absolut verständlicher Form die Grundlagen der Quantentheorie und belegt mit Experimenten deren Richtigkeit.
Dr. Walter Schau, DL3LH
