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Gegen Ende des 19. Jahrhunderts war die Frage nach der Natur des Lichts scheinbar geklärt: Licht ist eine elektromagnetische Welle. Damit konnten alle damals bekannten Lichtphänomene beschrieben werden. Die bis dahin gemachten Experimente untersuchten vorwiegend die Lichtausbreitung. Wie aber wirkt Licht auf Materie? Dies war noch wenig untersucht. Es bestanden allerdings kaum Zweifel darüber, dass die Wellentheorie auch die Wechselwirkung zwischen Licht und Materie korrekt beschreiben würde. Interessanterweise war es dann HEINRICH HERTZ, der bei seinen Untersuchungen der elektromagnetischen Wellen zufällig einen interessanten Effekt beobachtete. Dieser Effekt sollte zu einem völlig neuen Verständnis des Lichtes führen. Der äußere Photoeffekt. Wie verhält sich eine Metallplatte, wenn sie mit Licht beschossen bzw. bestrahlt wird?
Untersucht man den äußeren Photoeffekt genauer, so stellt man Folgendes fest:
--> Die kinetische Energie (und damit die Geschwindigkeit) der austretenden Elektronen ist unabhängig von der
Beleuchtungsstärke. Einzelne Elektronen verlassen die Platte auch bei sehr schwacher Beleuchtung.
--> Die Energie der ausgesandten Photoelektronen ist statt dessen für ein bestimmtes Material nur von der Wellenlänge des eingestrahlten Lichts abhängig. Und zwar nimmt sie linear mit der Lichtfrequenz zu.
--> Die Anzahl der in einem Zeitintervall ausgesandten Photoelektronen ist proportional zur Beleuchtungsstärke.
Diese experimentellen Tatsachen stehen in deutlichem Widerspruch zu dem, was auf Grund der Wellentheorie erwartet wäre: Wenig Licht bedeutet wenig Energiezufuhr. Bei schwachem Licht dürften bloß noch ganz langsame Elektronen austreten. Unterhalb einer materialabhängigen Grenze vermöchte schwaches Licht keine Elektronen mehr herauszulösen.
Die Wellentheorie des Lichts kann den äußeren Photoeffekt nicht erklären.
Der äußere Photoeffekt wurde von ALBERT EINSTEIN in einem berühmten Artikel im März 1905 wie folgt interpretiert:
\"Nach der Auffassung, dass das erregende Licht aus Energiequanten von der Energie h*f bestehe, lässt sich die Erzeugung von Elektronen durch Licht folgendermaßen auffassen. In die oberflächliche Schicht des Körpers dringen Energiequanten (sogenannte Photonen) ein und deren Energie verwandelt sich zum Teil in kinetische Energie von Elektronen. Die einfachste Vorstellung ist die, dass ein Photon seine ganze Energie an ein einziges Elektron abgibt. Außerdem wird anzunehmen sein, dass jedes Elektron beim Verlassen des Körpers eine (für den Körper charakteristische) Arbeit W zu leisten hat, wenn es den Körper verlässt. Mit der größten Normalgeschwindigkeit (normal zur Oberfläche) werden die unmittelbar an der Oberfläche, normal zu dieser erregten Elektronen den Körper verlassen. Die kinetische Energie solcher Elektronen ist: h*f - W.\" Mit anderen Worten: Licht gibt seine Energie nur in Form von unteilbaren Energieportionen weiter. Diese Portionen werden \"Energiequanten\" oder kurz auch \"Photonen\" genannt. Die Energie jedes einzelnen Photons beträgt h*f. Die Größe h ist eine Naturkonstante. Sie heißt Planck\'sches Wirkungsquantum und hat den Wert h = 6,67*10-34 J*s.
Lichtenergie gibt es nur portionenweise. Auch sehr helles Licht gibt an ein einzelnes Elektron nur die Energie h*f ab. Bei der Wechselwirkung mit Materie verhält sich Licht also so, als ob es aus einem Teilchenstrom bestehen würde. ALBERT EINSTEIN erhielt im Jahre 1923 den Nobelpreis für Physik für eben diese Interpretation des äußeren Photoeffekts. Damals war er schon berühmt, allerdings wegen der Relativitätstheorie. Hat denn die Helligkeit eines Lichtstrahls nichts mit der Energie zu tun? Doch! Je heller ein Lichtstrahl ist, desto mehr Photonen enthält er. Beim äußeren Photoeffekt kann ein heller Lichtstrahl mehr Elektronen freisetzen als ein weniger starker Strahl mit gleicher Farbe (Frequenz). Die Energie aber, mit der die einzelnen Elektronen herausgeschleudert werden, bleibt gleich. Die Beziehungen zwischen der Farbe des Lichts, der Wellenlänge und der Frequenz ergeben, kombiniert mit der Quantenidee folgendes: Die Photonen von blauem Licht sind energiereicher als diejenigen von rotem Licht. Aus der Gleichung für die Energie E=h*f sieht man auch, dass Photonen keine \"normalen\" Teilchen sind. Für normale Teilchen hängt die kinetische Energie von der Geschwindigkeit und der Masse ab. Die Photonen fliegen aber immer mit c, sie besitzen keine Masse, und ihre Energie ist proportional zur Lichtfrequenz. Übrigens: Photonen tragen auch einen bestimmten Impuls p = E/c = hf/c. Dieser Impuls führt beispielsweise dazu, dass auf Solarpanels von Satelliten eine Kraft ausgeübt wird, deren störende Wirkung kompensiert werden muss.
Der innere Photoeffekt. Bis jetzt haben wir immer von Metalloberflächen gesprochen. In Metallen sind die Elektronen nahezu frei beweglich. Deshalb leiten sie auch den elektrischen Strom sehr gut. Was passiert aber, wenn Licht auf einen Halbleiter oder einen Isolator trifft? Diese leiten den Strom - sofern keine überdimensional große Spannung drauf ist - schlecht bzw. nicht, weil die Elektronen nicht beweglich, sondern fest an die Atome gebunden sind. Man kann sich die Situation eines Bindungselektrons etwa so vorstellen: Das Elektron ist wie in einer \"Falle\". Die Wand der Falle ist wie eine Treppe. Die Stufen dieser Treppe sind unregelmäßig hoch. Um eine oder mehrere Stufen zu steigen, muss das Elektron eine genau bestimmte Energiemenge zugeführt bekommen, nicht mehr und nicht weniger. Diese Energiestufen heißen Energiezustände oder Energieniveaus. Trifft nun auf ein solches Material Licht, dessen Photonenenergie den Minimalwert erreicht, so steigen die Elektronen eine oder mehrere Stufe höher auf und die Photonen werden \"verschluckt\". Die Photonenenergie kann natürlich auch so groß sein, dass sich die Elektronen ganz aus der Falle lösen. Sie sind dann ähnlich wie beim Metall frei beweglich und können zur elektrischen Stromleitung beitragen. Dies nennt man den inneren Photoeffekt. Er benutzt Lichtenergie um bewegliche Elektronen zu erzeugen.
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