Fotoemission

Bestrahlt man eine Metallplatte mit Licht, dessen Frequenz höher als eine bestimmte Grenzfrequenz ist, dann lösen sich von der Oberfläche des Metalls Elektronen ab. Die Platte entlädt sich (Bild 1). Diesen Vorgang nennt man Fotoemission, häufig auch äußeren Fotoeffekt oder äußeren lichtelektrischen Effekt. Technisch wird dieser Effekt in Fotozellen angewandt.

Um den Fotoeffekt zu verstehen, reicht das Wellenmodell des Lichtes nicht mehr aus. Wie ALBERT EINSTEIN (1879-1955) im Jahre 1905 zeigen konnte, kann der Fotoeffekt mithilfe einer Kombination aus Teilchen und Wellenmodell des Lichtes erklärt werden. Nach EINSTEIN besteht Licht aus Photonen, die wie kleine Teilchen auf die Oberfläche des Metalls auftreffen, dabei in Wechselwirkung mit den Elektronen an der Oberfläche treten, den Elektronen ihre Energie übertragen und sie dadurch schließlich aus der Oberfläche herauslösen können. Dazu ist die Verrichtung einer Ablösearbeit erforderlich. Da die Energie der Photonen von der Frequenz des Lichtes abhängt, sind nur relativ hochfrequente (kurzwellige) Photonen in der Lage, die Elektronen aus dem Metallverband zu befreien. Die Frequenz, bei der ein Herauslösen erstmals erfolgt, nennt man Grenzfrequenz. Die Größe der Grenzfrequenz hängt von der Höhe der Ablösearbeit ab.

Aus der Geschichte des äußeren Fotoeffektes

1887 entdeckte der Physiker HEINRICH HERTZ den Fotoeffekt. Ihm war aufgefallen, dass Licht einer Funkenentladung einen weiteren Funken aus derjenigen Metalloberfläche hervorrufen kann, in die er überspringt. Darüber hinaus zündete eine Funkenentladung zwischen Metallelektroden bereits bei niedrigeren Spannungen, wenn man die Katode mit ultraviolettem Licht beleuchtete.

Durch diese Beobachtung angeregt, gelang es dem deutschen Physiker WILHELM HALLWACHS (1859-1922) im Jahre 1888, ungeladene metallische Körper durch Bestrahlung mit UV-Licht positiv aufzuladen. Diesen Effekt nennt man auch heute zu Ehren des Forschers Hallwachs-Effekt.

Wie elf Jahre später der englische Wissenschaftler JOSEPH JOHN THOMSON (1856-1940) zeigte, wird diese positive Aufladung des Metalls durch das Herauslösen von Elektronen aus der Metalloberfläche verursacht. Im Jahre 1901 unternahm PHILIPP LENARD (1862-1947) die bis dahin aufwendigsten Versuche zum Fotoeffekt. Dabei stellte er fest, dass die kinetische Energie der herausgelösten Elektronen unabhängig von der Intensität des einfallenden Lichtes ist.

Im Jahre 1905 konnte ALBERT EINSTEIN (1879-1955) den Fotoeffekt mithilfe der Annahme erklären, dass Licht aus Photonen besteht, die sowohl Wellen- als auch Teilcheneigenschaften besitzen. Am 10. November 1922 wurde EINSTEIN von der Schwedischen Akademie der Wissenschaften darüber unterrichtet, dass man ihm für seine Forschungen zum Fotoeffekt mit dem Nobelpreis ausgezeichnet hat.