4 Der Fotoeffekt

Der Versuchsaufbau

Eine Metallplatte wird mit Licht bestrahlt. Dabei ist in einigen Fällen zu beobachten, dass plötzlich ein elektrischer Strom fließt.
Wenn dieser Strom fließt, dann kann dieser mit einem Potentiometer so eingepegelt werden, dass die Stromdtärke wieder gleich Null ist.

Die Beobachtungen im Detail:

Wenn eine Zinkplatte mit rotem Licht bestrahlt wird, dann ist kein Strom zubeobachten.
Auch wenn die Intensität, also die Helligkeit des Lichtes, erhöht wird, fließt kein Strom.
Wenn grünes Licht verwendet wird, dann zeigt das Strommessgerät eine kleine Stromstärke. Weil diese vom Licht erzeugt wird, sprechen die Physiker hier von Photostrom.
Wenn die Intensität des grünen Lichtes erhöht wird, dann wird der Photostrom stärker.

Zweite Phase des Experimentes

Nun wird mit der Spannungsquelle eine Gegenspannung eingerichtet, dass gerade kein Photostrom mehr fließt.
Selbst wenn man die Intensität des grünen Lichtes nun noch weiter erhöht, fließt nun kein Strom mehr.
Wird statt grünem Lich aber blaues Licht verwendet, dann ist wieder ein Photostrom zu beobachten. Dieser wird wieder stärker, wenn die Intensität des blauen Lichtes erhöht wird.
Wenn die Gegenspannung nun so eingerichtet wird, dass auch der "blaue Photostrom" verschwindet, dann hilft auch keine Erhöhung der Helligkeit der blauen Lampe, dann ist der Photostrom verschwunden.

Die maximale kinetische Energie (Bewegungsenergie) der Elektronen des Photostroms lässt sich mit Hilfe der Gegenspannung messen. Elektrische Energie berechnet man mit Ladung mal Spannung. Die Ladung eines Elektrons ist die Elementarladung . Wir diese mit der angelegten Gegenspannung multipliziert, die nötig war, um den Photostrom zu "bezwingen", dann haben wir die kinetische Energie der Elektronen bestimmt. Wenn man die Frequenz des verwendeten Lichtes auf der Abszisse abträgt, und die kinetische Energie der Elektronen des Photostroms auf der Ordinate, dann erhält man folgendes Ergebnis:

Wenn man dieses Experiment mit vielen unterschiedlichen Farben durchführt, dann liegen die Punkte mit den Koordinaten (Frequenz des Lichtes | kinetische Energie der Photoelektronen) alle auf einer Linie, auf dem Grafen einer linearen Funktion. Die Steigung dieses Grafen ist h = 6,626·10^-34 Js. Diese Größe h nennt sich das Plancksche Wirkungsquantum.

Erste Deutungsversuche

Offensichtlich wird in einigen Fällen ein Stromfluss durch Licht verursacht. Das heißt das Licht muss aus der Metallplatte Elektronen lösen, die von der Ringanode aufgefangen werden. Von dort wandern sie zurück zur Zinkplatte und erzeugen so einen Photostrom.
Die "grünen Fotoelektronen" lassen sich mit einer kleineren Gegenspannung aufhalten, als die blauen. Mit anderen Worten: Die vom blauen Licht ausgelösten Elektronen müssen schneller sein als die Elektronen, die das grüne Licht auslöst. Die "blauen Fotoelektronen" haben daher eine höhere kinetische Energie als die grünen.
Da Licht eine elektromagnetsiche Welle ist, könnte man vermuten, dass das elektrische Feld der elektromagnetischen Welle die Elektronen aus der Metallplatte reißt. Das widerspricht aber der Beobachtung. Denn das rote Licht konnte auch dann keinen Photostrom erzeugen, wenn die rote Lichtquelle heller gemacht wurde, wenn also die Intensität des Lichtes erhöht wurde. Wenn eine Lichtwelle eine höhere Intensität hat, dann ist auch die Amplitude ihres elektrischen Feldes größer. Das gleiche war bei grünem Licht zu beobachten, wenn der Photostrom durch eine Gegenspannung "ausgebremst" wurde. Auch eine Erhöhung der Intensität des grünen Lichtes konnte nun keinen Photostrom mehr erzeugen.
Durch das elektrische Feld der elektromagnetischen Welle werden die Elektronen also nicht aus dem Metall gerissen.

Einsteins Erklärung

Rotes Licht hat eine kleinere Frequenz als grünes Licht und grünes Licht hat eine kleinere Frequenz als blaues Licht. Die entscheidende Größe, die über die Existenz des Photostroms entscheidet, ist also die Frequenz. Die Ergebnisse des Experimentes lassen nun folgendermaßen deuten: Licht wirkt hier nicht als Welle sondern als ein Energiepaket, also wie ein Teilchen. Licht fällt in kleinen Energiepaketen auf die Elektronen und schlägt diese aus dem Metall heraus. Solche Lichtteilchen oder Eneriepakete werden Photonen genannt. Ein Photon hat die Energie

Dabei ist die Frequenz des Lichtes und ist das Plancksche Wirkungsquantum

Wenn die Lichtintensität erhöht wird, dann fallen mehr Photonen auf die Mertall-Kathode und es werden mehr Elektronen herausgeschlagen. Wenn die einzelnen Photonen aber nicht genug Energie haben, um ein Elektron aus dem Metall heraus zulösen, dann ist es egal wie viele dieser Photonen auf das Metall treffen, es wird kein Strom fließen.
Licht verhält sich in diesem Experiment also nicht wie eine Welle, sondern wie ein Teilchen mit der Bewegungsenergie E=h· f.

Backlinks:
2 Physikbücher:BGPhysik13-1