Der äußere lichtelektrische Effekt, auch äußerer Fotoeffekt genannt, wurde im Jahr 1888 durch den deutschen Physiker WILHELM HALLWACHS (1859 -1922) entdeckt. Er wird nach seinem Entdecker auch als HALLWACHS-Effekt bezeichnet.
Der äußere lichtelektrische Effekt war einer der ersten Effekte, der die Anwendbarkeit des Wellenmodells bei Licht in Frage stellte. HALLWACHS hat ihn bei der Bestrahlung von geschmirgelten Zinkplatten mit unterschiedlichem Licht entdeckt. Bild 1 zeigt eine einfache Experimentieranordnung, mit der man den äußeren lichtelektrischen Effekt nachweisen kann. Experimentelle Untersuchungen zeigen:
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Bestrahlt man eine negativ geladene Zinkplatte mit ultraviolettem Licht, dann wird die Platte entladen. Zu erklären ist das damit, dass durch die UV-Strahlung Elektronen aus der Zinkplatte ausgelöst werden (Bild 2) und sich damit die negative Ladung der Platte verringert. |
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Nutzt man statt ultraviolettem Licht sichtbares Licht, so wird die negativ geladene Zink-Platte nicht oder nur sehr wenig entladen, selbst wenn die Lichtintensität sehr hoch ist. |
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Bestrahlt man eine positiv geladene Platte mit beliebigem
Licht, so tritt kein Effekt auf. |
| Genauere Untersuchung und Deutung des äußeren lichtelektrischen Effekts | |
| Genauere Untersuchungen zum äußeren lichtelektrischen Effekt zeigen: | |
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Der äußere lichtelektrische Effekt tritt nur dann auf, wenn die Frequenz des verwendeten Lichtes bei einem gegebenen Material der bestrahlten Oberfläche eine bestimmte Frequenz überschreitet. Unterhalb dieser Grenzfrequenz ist kein Effekt zu beobachten. |
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Lenard fand heraus: Dien Energie der austretenden Elektronen ist nur von der Wellenlänge des eingestrahlten Lichtes, nicht aber von der Lichtintensität abhängig. Eine erhöhung der Lichtintensität erhöht lediglich die Zahl der pro Zeiteinheit emittierten Elektronen, ihre Energie ist allerdings immer gleich. |
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Wird die Frequenz des Anregungslichtes weiter vergrößert (also seine Wellenlänge verringert), so treten Elektronen aus, deren kinetische Energie mit zunehmender Frequenz größer wird. |
Eine erste umfassende Deutung des Effekts gab ALBERT EINSTEIN (1879-1955) im Jahre 1905 im Rahmen seine Quantentheorie. Licht höherer Frequenz besitzt Energie in größeren Portionen (Quanten) als Licht geringerer Frequenz. Freuenz und Wellenlänge stehen über die Lichtgeschwindigkeit miteinander in Beziehung.
Sind die Energieportionen des genutzten Lichtes gerade so groß
wie die zum Herauslösen von Elektronen erforderliche Arbeit, die
Austrittsarbeit, dann können Elektronen die Oberfläche verlassen.
Sind die Energieportion des genutzten Lichtes größer als die
erforderliche Austrittsarbeit, dann werden ebenfalls Elektronen herausgelöst.
Die restliche Energie ist dann gleich der kinetischen Energie der Elektronen.
Daraus ergibt sich folgende Gleichung:
Diese erstmals von A. EINSTEIN 1905 angegebene Gleichung nennt man einsteinsche
Gleichung. Die Grenzfrequenz ist
die Frequenz, bei der die Elektronen gerade so aus dem Metall herausgelöst
werden können aber keine weitere kinetische Energie besitzen. Um
diese zu berechnen muss man also in dwer einsteinschen Gleichung lediglich
setzen.
Damit ergibt sich für die Grenzfrequenz:
Die Austrittsarbeit A ist für alle Metalle unterschiedlich, je nachdem wie fest die Elektronen an den Kern gebunden sind. Sie bestimmt das niederenergetischste, also langwelligste, Ende der Fotoempfindlichkeit von Metallen. Für Alkalimetalle ist dieser Wert besonder niedrig. Deshalb verwendet man für Vakuum-Fotodioden und Fotomuliplier (Elektronenvervielfacher) häufig neben Bismutkathoden auch Trialkalikathoden, bestehend aus einer Mischung von drei verschiedenen Alkalimetallen.
Nicht verwechselt werden darf der beschriebene äußere lichtelektrische
Effekt mit dem inneren
lichtelektrischen Effekt. Dabei verlassen die durch Licht der entsprechenden
Wellenlänge angeregte Elektronen das Metall nicht. Elektronen von
inneren Energieniveaus werden durch die Absorbtion der Lichtenergie in
höhere Energieniveaus angehoben. Dadurch können frei bewegliche
Ladungen entstehen. Dieser Effekt wird besonders bei Halbleitern beobachtet.