Die Deutung des Photoeffekts gelang 1905 Albert Einstein. Indem er eine Idee von Max Planck (siehe S. 82) weiterführte, gelangte er zur Lichtquantenhypothese: Die Lichtquantenhypothese Licht der Frequenz f besteht aus Quanten (Lichtteilchen) mit der Energie E = h·f (Planck’sches Wirkungsquantum h = 6,63·10−34 J·s). Einstein schrieb in seiner Arbeit „Über einen die Erzeugung und Verwandlung des Lichts betreffenden heuristischen Gesichtspunkt“: „Nach der Auffassung, dass das [einfallende Licht aus Quanten der Energie E = h·f] bestehe, lässt sich die Erzeugung von [Elektronen] durch Licht folgendermaßen auffassen. In die oberflächliche Schicht des Körpers dringen [Lichtquanten] 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 … Außerdem wird anzunehmen sein, dass jedes Elektron beim Verlassen des Körpers eine (für den Körper charakteristische) Arbeit [W] zu leisten hat …“ Damit sagte Einstein eine maximale kinetische Energie der Elektronen voraus: Ekin = ½ m·v2 < h·f − W W ist die materialabhängige Austrittsarbeit, die analog zur Verdampfungswärme bei Flüssigkeiten (siehe Physik 5, S. 109) von den Elektronen zum Austritt aus der Oberfläche aufgebracht werden muss (101.1). Robert A. Millikan, der 1910 die elektrische Elementarladung e bestimmt hatte, überprüfte in den Jahren 1914–1916 Einsteins Vorhersage. Er fand sie bestätigt (101.2). (Einsteins Vorhersage und Millikans Arbeiten wurden 1921 bzw. 1923 mit dem Nobelpreis ausgezeichnet.) In Einsteins Photonenhypothese zeigt sich eine Grundfrage der Quantenphysik: Wie kann der offensichtliche Widerspruch zwischen den beiden Vorstellungen von Licht – Licht als Welle und Licht als Teilchen – aufgelöst werden? Das Elektronvolt – die passende Energieeinheit in der Atomphysik In der Atomphysik werden meist statt der SI-Einheiten kleinere problemangepasste Einheiten verwendet, z. B. die atomare Masseneinheit u (siehe Physik 5, S. 90). Die elektrische Spannung U ist als Quotient aus Arbeit W und transportierter Ladung Q definiert, U = W/Q (siehe Physik 6, S. 106). Wenn ein Elektron oder Proton (Q = 1 e = 1,602·10−19 C) durch eine Spannung U = 1 V beschleunigt wird, nimmt seine kinetische Energie um W = Q·U = 1 e·1 V = 1 eV = 1,602·10−19 J zu. Der Energiebetrag 1,602·10−19 J heißt Elektronvolt (eV). Äußerer und innerer Photoeffekt Wenn Elektronen wie im Experiment den bestrahlten Körper verlassen, spricht man vom äußeren Photoeffekt. Er wird z. B. im Photomultiplier (Photonenvervielfacher) zum Nachweis einzelner Photonen genutzt. Beim inneren Photoeffekt werden im Inneren von Halbleitern durch die Energie des Lichts bewegliche Ladungen geschaffen. Darauf beruhen die Lichtsensoren (Halbleiterdetektoren), die Licht in Elektrizität umwandeln: Photowiderstände (lichtabhängige Widerstände), Photodioden (Solarzellen), Phototransistoren (Schalten mit Licht) und die Bildsensoren der Digitalkameras und Handys (CCD, CMOS). Untersuche, überlege, forsche: Photoeffekt 101.1 E1 Erkläre, welche Bedeutung die Steigung der Geraden in 101.2 hat. 101.2 E4 Gibt es materialabhängig eine kleinste Lichtfrequenz, unter der kein Photoeffekt beobachtet wird? Untersuche dies für Zink (101.1)! Erkläre dein Ergebnis und welche physikalischen Gesetze und Hypothesen du benutzt hast. 101.1 Die Energie W gibt an, wie viel Energie zur Freisetzung eines Elektrons aus dem Metall erforderlich ist. Material W in eV Cäsium (Cs) 1,96 Natrium (Na) 2,28 Calcium (Ca) 3,20 Zink (Zn) 4,27 Eisen (Fe) 4,63 „Dass Einstein in seinen Spekulationen gelegentlich auch einmal über das Ziel hinausgeschossen haben mag, wie z.B. in seiner Lichtquantenhypothese, wird man ihm nicht allzu sehr anrechnen dürfen. Denn ohne einmal ein Risiko zu wagen, lässt sich auch in der exaktesten Wissenschaft keine wirkliche Neuerung einführen.“ Max Planck, 1913 „This hypothesis may well be called reckless […] because it flies in the face of the thoroughly established facts of interference.“ Robert A. Millikan, 1914 „I therefore take the liberty of proposing for this hypothetical new atom which is not light but plays an essential part in […] radiation, the name photon.“ Der Chemiker Gilbert Lewis in einem Brief an das Wissenschaftsmagazin Nature, 1926 Auch hochangesehene Wissenschafter stehen neuen Ideen skeptisch gegenüber: 101.2 Die maximale kinetische Energie der ausgelösten Elektronen hängt linear von der Frequenz des eingestrahlten Lichts ab. Der Energiebetrag W wird benötigt, um die Elektronen aus dem Metall freizusetzen, er hängt vom Material ab. -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 0 2 6 8 10 12 14 kinetische Energie der Photoelektronen in eV Ekin Frequenz in 10 Hz f 14 Cs Ca Zn sichtbares Licht W 4 4 101 Quantenphysik 2 Grundideen der Quantenphysik Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
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