Basiswissen

Die Photoemission, auch äußerer photoelektrischer Effekt genannt, bezeichnet das Herauslösen von Elektronen aus Metalloberflächen durch Licht: wenn in der Schulphysik die Rede vom (äußeren) photoelektrischen Effekt ist, dann ist damit meist die Photoemission gemeint. Der Effekt der Photoemission gilt als Beleg für die Teilchennatur des Lichts^[9]. Er kann nicht in der Wellenvorstellung erklärt werden.

Grundaufbau des Versuchs

Wenn man eine Metalloberfläche mit Licht (auch unsichtbarem) bestrahlt, so kann man mit Hilfe einer geeigneten Versuchsanordnung feststellen, dass sich Elektronen aus dem Metall lösen und mit einer gewissen Geschwindigkeit vom Metall wegfliegen. Man macht dabei folgende Beobachtungen.

Beobachtete Effekte

Die kinetische Energie der aus der Photokathode austretenden Elektronen hängt nicht von der Bestrahlungsstärke, sondern von der Spektralfarbe des Lichtes ab^[10], also von dessen Wellenlänge Lambda beziehungsweise Frequenz f.

Die kinetische Energie dieser Photoelektronen steigt, beginnend bei einer Minimalfrequenz, linear mit der Frequenz des Lichtes an.

Die Maximalwellenlänge beziehungsweise Minimalfrequenz, bei der gerade noch Elektronen austreten, hängt vom Material der Kathodenoberfläche ab.

Die Freisetzung der Elektronen beginnt wenige Nanosekunden nach Einfall des Lichtes und endet genauso schnell nach dem Ende der Bestrahlung.

Der Photostrom der Elektronen ist proportional zum Strahlungsfluss, wenn durch eine ausreichend positive Anode alle emittierten Elektronen aufgefangen werden.^[8]^[10]

Bis auf die letzte Beobachtung stehen alle gefundenen Zusammenhänge im Widerspruch zur klassischen Vorstellung von Licht als Wellenerscheinung. Nach dieser hängt die Energie einer Welle allein von ihrer Amplitude, nicht jedoch von ihrer Frequenz ab. Somit müsste mit sinkender Bestrahlungsstärke auch die kinetische Energie der Elektronen abnehmen. Der Effekt sollte dann verzögert auftreten, da die Übertragung der zur Freisetzung der Elektronen nötigen Energie dann länger dauert. Statt einer Minimalfrequenz wäre nach klassischer Vorstellung zu erwarten, dass mit sinkender Frequenz lediglich die Zeit, bis ein Elektron genügend Lichtenergie aufgesammelt hat, zunimmt. Die Photoemission gilt als ein Beleg für den Teilchencharakter des Lichts. Siehe auch Lichtteilchen ↗

Fußnoten

[1] Heinrich Hertz: Ueber den Einfluss des ultravioletten Lichtes auf die electrische Entladung. Annalen der Physik 267 (8), 1887, S. 983–1000. doi:10.1002/andp.18872670827

[2] Wilhelm Hallwachs: Ueber die Electrisirung von Metallplatten durch Bestrahlung mit electrischem Licht. In: Annalen der Physik und Chemie. Band 270, 8A, 1888, S. 731–734, doi:10.1002/andp.18882700809. Der Artikel ist eine sehr detaillierte und gut nachvollziebare Beschreibung des Versuchsaufbaus und der Durchführung, jedoch ohne weitere Versuche einer Deutung. Online: https://zenodo.org/records/1423843

[3] Philipp Lenard: Erzeugung von Kathodenstrahlen durch ultraviolettes Licht. In: Annalen der Physik. Band 307, Nr. 6, 1900, S. 359–375, doi:10.1002/andp.19003070611.

[4] Philipp Lenard: Ueber die Lichtelektrische Wirkung. In: Annalen der Physik. Nr. 313, 1902, S. 149–198, doi:10.1002/andp.19023130510: „14. Die in der Zeiteinheit ausgestrahlte Menge ist der wirkenden Lichtintensität proportional.“ Online: https://grundpraktikum.physik.uni-saarland.de/gpalt/Anleitungen/Ergaenzungen/J1_Papers/Photoeffekt%20-%20Lenard_1.pdf

[5] Dass die Photoemission zur Annahme von Licht als Teilchen drängt, schrieb Albert Einstein im Jahr 1905: "Es scheint mir nun in der Tat, daß die Beobachtungen über die 'schwarze Strahlung', Photoluminiszenz, die Erzeugung von Kathodenstrahlen durch ultraviolettes Licht und andere die Erzeugung bez. Verwandlung des Lichtes betreffende Erscheinungsgruppen besser verständlich erscheinen unter der Annahme, daß die Energie des Lichtes diskontinuierlich im Raume verteilt sei. Nach der hier ins Auge zu fassenden Annahme ist bei Ausbreitung eines von einem Punkte ausgehenden Lichtstrahles die Energie nicht kontinuierlich auf größer und größer werdenbde Räume verteilt, sondern es besteht dieselbe aus einer endlichen Zahl von in Raumpunkten lokalisierten Energiequanten, welche sich bewegen, ohne sich zu teilen und nur als Ganze absorbiert und erzeugt werden können." Albert Einstein: Ueber einen die Erzeugung und Verwandlung des Lichtes betreffenden heuristischen Gesichtspunkt. In: Annalen der Physik. Band 322, Nr. 6, 1905, S. 132–148. Dort die Seite 133. Online: http://myweb.rz.uni-augsburg.de/~eckern/adp/history/einstein-papers/1905_17_132-148.pdf

[6] Eine ausführliche Argumentation gibt Albert Einstein: Ueber einen die Erzeugung und Verwandlung des Lichtes betreffenden heuristischen Gesichtspunkt. In: Annalen der Physik. Band 322, Nr. 6, 1905, S. 132–148, doi:10.1002/andp.19053220607. Dort das Kapitel 8 Über die Erzeugung von Kathodenstrahlen durch Belichtung fester Körper. Seite 145 ff. Dort heißt es zum Beispiel: "Die übliche Auffassung, daß die Energie des Lichtes kontinuierlich über den durchstrahlten Raum verteilt sei, findet bei dem Versuch, die lichtelektrischen Erscheinungen zu erklären, besonders große Schwierigkeiten, welche in einer bahnbrechenden Arbeit von Hern. Lenard dargelegt sind." Online: http://myweb.rz.uni-augsburg.de/~eckern/adp/history/einstein-papers/1905_17_132-148.pdf

[7] Robert Andrews Millikan: A Direct Photoelectric Determination of Planck's "h". In: Physical Review. Band 7, Nr. 3, März 1916, S. 355–388, doi:10.1103/PhysRev.7.355. Online: http://mapageweb.umontreal.ca/leonelli/PHY3320/millikan.pdf

[8] "Wenn jedes Energiequant des erregenden Lichtes unabhängig von allen übrigen seine Energie an Elektronen abgibt, so wird die Geschwindigkeitsverteilung der Elektronen, d. h. die Qualität der erzeugten Kathodenstrahlung von der Intensität des erregenden Lichtes unabhängig sein; andererseits wird die Anzahl der den Körper verlassenden Elektronen der Intensität des erregenden Lichtes unter sonst gleichen Umständen proportional sein." Sowie als wichtige Annahme noch einmal betont: "Im vorstehenden ist angenommen, daß die Energie wenigstens eines Teiles der Energiequanten des erzeugenden Lichtes je an ein einziges Elektron vollständig abgegeben werde." Doch manche Experimente legen nah: "Es ist anzunehmen, daß die kinetische Energie eines Elektrons zur Erzeugung viler Lichtquanten verwendet wird." Quelle: Albert Einstein: Ueber einen die Erzeugung und Verwandlung des Lichtes betreffenden heuristischen Gesichtspunkt. In: Annalen der Physik. Band 322, Nr. 6, 1905, S. 132–148, doi:10.1002/andp.19053220607. Dort die Seite 147. Online: http://myweb.rz.uni-augsburg.de/~eckern/adp/history/einstein-papers/1905_17_132-148.pdf

[9] Albert Einstein beschreibt die Photoemission in seiner Theorie von Licht als Energiequanten. Für die entsprechende Veröffentlichung aus dem Jahr 1905 erhielt er später den Nobelpreis: "In die oberflächliche Schicht des Körpers dringen Energiequanten ein, und deren Energie verwandelt sich wenigstens zum Teil in kinetische Energie von Elektronen. Die einfachste Vorstellung ist die, daß ein Lichtquant seine ganze Energie an ein einziges Elektron abgibt; wir wollen annehmen, daß dies vorkomme. Es soll jedoch nicht ausgeschlossen sein, daß Elektronen die Energie von Lichtquanten nur teilweise aufnehmen. Ein im Innern des Körpers mit mit kinetischer Energie versehenes Elektron wird, wenn es die Oberfläche erreicht hat, einen Teil seiner kinetischen Energie eingebüßt haben. Außerdem wird anzunehmen sein, daß jedes Elektron beim Verlassen des Körpers eine (für den Körper charakteristische) Arbeit P zu leisten hat, wenn es den Körper verlässt. Mit der größten Normalgeschwindigkeit werden die unmittelbar an der Oberfläche normal zu dieser erregten Elektronen den Körper verlassen" In: Albert Einstein: Über einen die Erzeugung und Verwandlung des Lichtes betreffenden heuristischen Gesichtspunkt. In: Annalen der Physik. Band 322, Nr. 6, 1905, S. 132–148, doi:10.1002/andp.19053220607. Dort die Seite 13r3. Online: http://myweb.rz.uni-augsburg.de/~eckern/adp/history/einstein-papers/1905_17_132-148.pdf

[10] Dass die kinetische Energie der ausgetretenen Elektronen nur von der Lichtfarbe abhängt formulierte Albert Einstein im Jahr 1905 im Sinne der damals neuen Quantentheorie: "Wenn jedes Energiequant des erregenden Lichtes unabhängig von allen übrigen seine Energie an Elektronen abgibt, so wird die Geschwindigkeitsveteilung der Elektronen, d. h. die Qualität der erzeugten Kathodenstrahlung von der Intensität des erregenden Lichtes unabhängig sein; andererseits wird die Anzahl der den Körper verlassenden Elektronen der Intensität des erregenden Lichtes unter sonst gleichen Umständen proportional sein" In: Albert Einstein: Über einen die Erzeugung und Verwandlung des Lichtes betreffenden heuristischen Gesichtspunkt. In: Annalen der Physik. Band 322, Nr. 6, 1905, S. 132–148, doi:10.1002/andp.19053220607. Dort die Seite 13r3. Online: http://myweb.rz.uni-augsburg.de/~eckern/adp/history/einstein-papers/1905_17_132-148.pdf