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Fotoelektrischer Effekt


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Der Fotoelektrische Effekt bzw. Photoelektrische Effekt auch Fotoeffekt bzw. Photoeffekt oder Lichtelektrischer Effekt genannt behandelt das Freisetzen elektrisch geladener Teilchen aus einem Material wenn dieses elektromagnetischer Strahlung (etwa Licht oder Ultraviolettstrahlung ) beleuchtet wird.

Vier nahe verwandte aber leicht unterschiedliche werden heute unter dem Begriff fotoelektrischer Effekt zusammengefasst:

  1. Äußerer fotoelektrischer Effekt (ist fast immer wenn vom photoelektrischen Effekt die Rede ist)
  2. Innerer fotoelektrischer Effekt
  3. Fotoionisation (auch atomarer oder molekularer Fotoeffekt)
  4. Fotovoltaischer Effekt.

In allen Fällen wird von einem Photon Energie an ein Elektron übertragen. Dieses energetische Elektron kann unterschiedliche bewirken.

Inhaltsverzeichnis

Äußerer fotoelektrischer Effekt

Der äußere fotoelektrische Effekt wurde 1887 von Heinrich Hertz und Wilhelm Hallwachs beobachtet. Manche unoxidierte Metalle geben im aufgeladenen Zustand Elektronen ab ihre Oberfläche durch Licht bestrahlt wird. Die den Elektronen aufgenommene kinetische Energie hängt von Wellenlänge (Frequenz Farbe) des bestrahlenden Lichtes ab nicht von der Lichtintensität. Dies stand im zur klassischen Physik (klassiche Mechanik und Elektrodynamik) die dies erklären konnte da nach allem was man wusste die Energie einer Welle von deren und nicht von der Frequenz abhängig ist. Einstein zeigte 1905 dass eine Beschreibung des Lichts durch heute Photonen genannt den Effekt gut erklären Insofern gilt der Photoelektrische Effekt als eines Schlüsselexperimente zur Begründung der Quantenphysik da er den Versuch mit Lichtquanten (Photonen) erklärte. Einstein wurde 1921 für diese Arbeit mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet.

Schon Isaac Newton hatte Lichtteilchen angenommen. Die Vorstellung von galt im 19. Jahrhundert als überholt. Durch Interferenzexperimente und die grossartige Übereinstimmung vieler Experimente Maxwells Elektrodynamik die Licht als elektromagnetische Welle auffasste war der Wellencharakter des Lichtes

Einsteins Erklärungen des photoelektrischen Effektes waren diesem Hintergrund eine mutige und gewagte Hypothese. Frage ob Licht nun aus Wellen oder bestehe kann seitdem nicht mehr so gestellt werden. Licht zeigt sowohl Wellencharakter auch Teilchencharakter dieses Phänomen wird als Welle-Teilchen-Dualismus bezeichnet.

Mikroskopisch erklärte Einstein diesen Effekt durch Übergabe der Energie eines Photons an ein Material gebundenes Elektron. Das Elektron muss mindestens Energie erhalten um die vom Material abhängige Austrittsarbeit zu überwinden mit der es an Material gebunden ist so dass man einen beobachten kann. Einstein schlug vor anzunehmen dass Energie der einfallenden Photonen von ihrer Wellenlänge abhängt <math>E = h \cdot\ \! \! f </math> (h ist das plancksche Wirkungsquantum ).

Folglich gibt es für jedes Material minimale Wellenlänge bei der dieser Effekt auftritt.

Die herausgeschlagenen Elektronen verlassen das Material kinetischer Energie. Sie erzeugen eine Ladungstrennung (Spannung) von der Lichtwellenlänge abhängt. Der daraus resultierende der Photostrom kann nachgewiesen werden und hängt der Intensität des einfallenden Lichtes ab.

Fotozellen nutzen diesen Effekt aus.

Fotoionisation (atomarer molekularer Fotoeffekt)

Ein Atom oder Molekül wird von Photon getroffen und ein Elektron wird herausgelöst. Man beobachtet dass ein ionisiertes Atom oder Molekül übrigbleibt. Die kinetische des Elektrons entspricht der Differenz aus der des Fotons und der Bindungsenergie des Zustandes dem das Elektron ausgelöst wurde.

Dieser Effekt wird insbesondere bei Röntgen- oder Gammastrahlung beobachtet. Man spricht auch von Ionisierender Strahlung . Strahlungsdetektoren machen sich meist diesen Effekt zunutze die Photonen ionisierender Strahlung in elektrische Signale

Innerer photoelektrischer Effekt

Dieser Effekt wird in Festkörpern beobachtet bei denen die Elektronen im Valenzband sind und nur eine schwache elektrische möglich ist. Durch Photonen werden Elektronen in energetisch höhergelegenes Leitungsband gehoben so dass das Material unter besser leitet.

Fotovoltaischer Effekt

Der fotovoltaische Effekt basiert auf dem fotoelektrischen Effekt. Zusätzlich wird ein P-n-Übergang benötigt. An dem Übergang findet eine statt. Das entstehende elektrische Spannungsgefälle kann für die Wandlung der Strahlungsenergie elektrische Energie genutzt werden.

Der Photovoltaische Effekt ist Grundlage von Solarzellen .



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