Photoeffekt

Photoeffekt (auch photoelektrischer Effekt), allgemeiner Begriff für die Bildung und Freisetzung von elektrisch geladenen Teilchen aus Materie, wenn diese mit Licht oder anderer elektromagnetischer Strahlung bestrahlt wird. Beim äußeren Photoeffekt werden Elektronen durch Photonen aus der Oberfläche eines metallischen Leiters freigesetzt. Diesen Effekt nutzt man bei der Photozelle.

Die Erforschung des äußeren Photoeffekts spielte eine große Rolle in der Entwicklung der modernen Physik. Dieser Effekt wurde 1887/88 von Heinrich Hertz und W. Hallwachs entdeckt. Es folgten weitere Untersuchungen. Sie zeigten bestimmte Eigenschaften, die mit den Theorien jener Zeit, in denen Licht und alle anderen Arten elektromagnetischer Strahlung als Wellenerscheinung betrachtet wurden, nicht erklärt werden konnten. Beispielsweise müssten nach der klassischen Wellentheorie die Elektronen, die das Licht absorbieren, mit immer mehr Energie freigesetzt werden, wenn das auf das Metall scheinende Licht intensiver wird. Die Experimente ergaben jedoch, dass die größtmögliche Energie der ausgestoßenen Elektronen nur von der Frequenz des einfallenden Lichtes und nicht von seiner Intensität abhängt.

1905 stellte Albert Einstein bei einem Versuch, den äußeren Photoeffekt zu erklären, die Theorie auf, dass sich Licht in manchen Situationen wie Teilchen verhält und dass die Energie jedes Lichtteilchens oder Photons nur von der Wellenlänge des Lichtes abhängt. Um diesen Effekt zu erklären, beschrieb er Licht als eine Ansammlung von Geschossen, die auf das Metall auftreffen. Ein freies Elektron im Metall, das von einem Photon getroffen wird, absorbiert die Energie des Photons. Wenn das Photon ausreichend Energie besitzt, wird das Elektron vom Metall gelöst. Einsteins Theorie erklärte viele Besonderheiten des externen photoelektrischen Effekts, z. B. warum die maximale Energie der abgegebenen Elektronen von der Intensität des einfallenden Lichtes unabhängig ist. Nach seiner Theorie hängt die maximale Energie eines freigesetzten Elektrons nur von der Energie des freisetzenden Photons ab, die wiederum nur von der Wellenlänge bzw. Frequenz des Lichtes abhängt. Einsteins Theorie wurde später durch weitergehende Forschung bestätigt. Seine Erklärung des Photoeffekts trug zusammen mit dem Beweis, dass sich elektromagnetische Strahlung in manchen Situationen wie eine Vielzahl von Teilchen verhält, zu der Entwicklung der Quantentheorie bei. Für seine Arbeit zum photoelektrischen Effekt erhielt Einstein 1921 den Nobelpreis für Physik.

Der Ausdruck photoelektrischer Effekt wird u. a. auch für drei andere Vorgänge verwendet: Photoionisation, innerer Photoeffekt und Photo-Volta-Effekt. Bei der Photoinonisation (auch atomarer oder molekularer Photoeffekt) werden Elektronen durch elektromagnetische Strahlung aus Atomen oder Molekülen herausgeschlagen. Ein Beispiel dafür ist die Ionisation von Gasen durch Licht-, Röntgen- oder Gammastrahlen. Beim inneren Photoeffekt verlassen die durch Photonen angeregten Elektronen das Material nicht. Diesen Effekt beobachtet man insbesondere bei Halbleitern und Isolatoren. Dabei werden die Elektronen durch elektromagnetische Strahlung vom Valenzband in das Leitungsband angehoben. Beim Photo-Volta-Effekt verursachen Photonen paarweise Elektronenlöcher in Halbleitern (siehe Halbleiter). In einem Transistor löst dieser Effekt beispielsweise den Aufbau eines elektrischen Potentials über dem pn-Übergang aus.