Äußerer lichtelektrischer Effekt

Entdeckung des äußeren lichtelektrischen Effekts

Der äußere lichtelektrische Effekt, auch äußerer Fotoeffekt genannt, wurde im Jahr 1888 durch den deutschen Physiker WILHELM HALLWACHS (1859 -1922) entdeckt. Er wird nach seinem Entdecker auch als HALLWACHS-Effekt bezeichnet.
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. Genaue experimentelle Untersuchungen zeigen:

Eine erste umfassende Deutung des Effekts gab ALBERT EINSTEIN (1879-1955) im Jahre 1905, indem er die wenige Jahre vorher erstmals von MAX PLANCK (1858-1947) ausgesprochene These vom Quantencharakter der Temperaturstrahlung schöpferisch auf das Licht anwandte: Licht höherer Frequenz besitzt Energie in größeren Portionen (Quanten) als Licht geringerer Frequenz. Sind die Energieportion des genutzten Lichtes gerade so groß wie die zum Herauslösen von Elektronen erforderliche Arbeit, die Austrittsarbeit, dann können Elektronen gerade 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. Stellt man den Zusammenhang zwischen der kinetischen Energie der Elektronen und der Frequenz grafisch dar, dann erhält man eine Gerade, die als EINSTEIN-Gerade bezeichnet wird (Bild 3). Sie ist folgendermaßen zu deuten:

Daraus ergibt sich als Geradengleichung:

$\begin{array}{l}{E}_{\text{kin}}=h\cdot f-W_{\text{A}}\text{oder}\\ h\cdot f=W_{\text{A}}+E_{\text{kin}}\\ h\text{plancksches Wirkungsquantum}\\ f\text{Frequenz des Lichtes}\\ W_{\text{A}}\text{Austrittsarbeit (Austrittsenergie)}\\ E_{\text{kin}}\text{kinetische Energie der herausgelösten}\\ \text{Elektronen}\end{array}$

Diese erstmals von A. EINSTEIN 1905 angegebene Gleichung nennt man einsteinsche Gleichung. Aus dieser Gleichung ergibt sich auch eine Beziehung für die Grenzfrequenz. Ist die kinetische Energie der Elektronen null, dann erfällt man für die Grenzfrequenz:

$f=f_{\text{G}}=\frac{W_{\text{A}}}{h}$

Nicht verwechselt werden darf der beschriebene äußere lichtelektrische Effekt mit dem inneren lichtelektrischen Effekt. Letzterer besagt, dass unter dem Einfluss von Strahlung Elektronen im Inneren eines Festkörpers ihre Bindungen verlassen können und dann als Leitungselektronen zur Verfügung stehen. Das wird bei einer Reihe von Halbleiterbauelementen genutzt.