Äußerer lichtelektrischer Effekt

Entdeckung des äußeren lichtelektrischen Effekts

Der äußere lichtelektrische Effekt war einer der ersten Effekte, der die Anwendbarkeit des Wellenmodells bei Licht in Frage stellte. HALLWACHS hat ihn bei der Bestrahlung von geschmirgelten Zinkplatten mit unterschiedlichem Licht entdeckt. Bild 1 zeigt eine einfache Experimentieranordnung, mit der man den äußeren lichtelektrischen Effekt nachweisen kann. Experimentelle Untersuchungen zeigen:

Eine erste umfassende Deutung des Effekts gab ALBERT EINSTEIN (1879-1955) im Jahre 1905 im Rahmen seine Quantentheorie. Licht höherer Frequenz besitzt Energie in größeren Portionen (Quanten) als Licht geringerer Frequenz. Freuenz und Wellenlänge stehen über die Lichtgeschwindigkeit miteinander in Beziehung.

$\begin{array}{c}c=\lambda \cdot \nu \text{bzw}\text{.}\nu \text{=}\frac{\text{c}}{\lambda }\\ \\ \text{c: Lichtgeschwindigkeit}\text{,}\lambda \text{: Wellenlänge}\text{,}\nu \text{: Frequenz}\end{array}$

Sind die Energieportionen des genutzten Lichtes gerade so groß wie die zum Herauslösen von Elektronen erforderliche Arbeit, die Austrittsarbeit, dann können Elektronen die Oberfläche verlassen. Sind die Energieportion des genutzten Lichtes größer als die erforderliche Austrittsarbeit, dann werden ebenfalls Elektronen herausgelöst. Die restliche Energie ist dann gleich der kinetischen Energie der Elektronen.

Daraus ergibt sich folgende Gleichung:

$E_{kin}^{\max }=h\cdot \nu -A$

$\begin{array}{l}{E}_{kin}^{\max }\text{‌}\text{- maximale kinetische Energie der herausgelösten Elektronen}\\ A\text{- Austrittsarbeit (auch als}{W}_A\text{bezeichnet})\\ h\text{- Konstante (Plank'sches Wirkungsquantum)}\\ \nu \text{- Frequenz des Lichtes (auch als}f\text{bezeichnet)}\end{array}$

Diese erstmals von A. EINSTEIN 1905 angegebene Gleichung nennt man einsteinsche Gleichung . Die Grenzfrequenz ist die Frequenz, bei der die Elektronen gerade so aus dem Metall herausgelöst werden können aber keine weitere kinetische Energie besitzen. Um diese zu berechnen muss man also in dwer einsteinschen Gleichung lediglich $E_{kin}^{\max }\text{= 0}$setzen. Damit ergibt sich für die Grenzfrequenz:

${\nu }_{grenz}=\frac{A}{h}$

Die Austrittsarbeit A ist für alle Metalle unterschiedlich, je nachdem wie fest die Elektronen an den Kern gebunden sind. Sie bestimmt das niederenergetischste, also langwelligste, Ende der Fotoempfindlichkeit von Metallen. Für Alkalimetalle ist dieser Wert besonder niedrig. Deshalb verwendet man für Vakuum-Fotodioden und Fotomuliplier (Elektronenvervielfacher) häufig neben Bismutkathoden auch Trialkalikathoden, bestehend aus einer Mischung von drei verschiedenen Alkalimetallen.

Nicht verwechselt werden darf der beschriebene äußere lichtelektrische Effekt mit dem inneren lichtelektrischen Effekt. Dabei verlassen die durch Licht der entsprechenden Wellenlänge angeregte Elektronen das Metall nicht. Elektronen von inneren Energieniveaus werden durch die Absorbtion der Lichtenergie in höhere Energieniveaus angehoben. Dadurch können frei bewegliche Ladungen entstehen. Dieser Effekt wird besonders bei Halbleitern beobachtet.