Physik Abitur
Äußerer lichtelektrischer Effekt
Experimentieranordnung zur Demonstration des äußeren lichtelektrischen EffektsVorgänge in der Oberfläche der Metallplatte bei Bestrahlung mit energiereichem Licht, beispielsweise mit UV-LichtEINSTEIN-Geraden für zwei verschiedene Stoffe
Entdeckung des äußeren lichtelektrischen Effekts
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. Genaue 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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Bei der Grenzfrequenz treten gerade Elektronen aus der Oberfläche aus. Sie haben aber keine kinetische Energie.
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Wird die Frequenz weiter vergrößert, 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, indem er die wenige Jahre vorher erstmals von MAX PLANCK (1858-1947) ausgesprochene These vom Quantencharakter der Temperaturstrahlung schöpferisch auf das Licht anwandte: Licht höherer Frequenz besitzt Energie in größeren Portionen (Quanten) als Licht geringerer Frequenz. Sind die Energieportion des genutzten Lichtes gerade so groß wie die zum Herauslösen von Elektronen erforderliche Arbeit, die Austrittsarbeit, dann können Elektronen gerade 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. Stellt man den Zusammenhang zwischen der kinetischen Energie der Elektronen und der Frequenz grafisch dar, dann erhält man eine Gerade, die als EINSTEIN-Gerade bezeichnet wird (Bild 3). Sie ist folgendermaßen zu deuten:

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Der Punkt, an dem die Gerade die Frequenz-Achse schneidet, ist die Grenzfrequenz.
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Die gestrichelt gezeichnete Verlängerung der Geraden schneidet die Energie-Achse in einem Punkt. Dieser Punkt gibt den Betrag der Austrittsarbeit für den betreffenden Stoff an.
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Der Anstieg der Geraden, also der Quotient , ist für alle Stoffe gleich und ist das plancksche Wirkungsquantum, auch PLANCK-Konstante genannt. Sein Wert beträgt .

Daraus ergibt sich als Geradengleichung:

Diese erstmals von A. EINSTEIN 1905 angegebene Gleichung nennt man einsteinsche Gleichung. Aus dieser Gleichung ergibt sich auch eine Beziehung für die Grenzfrequenz. Ist die kinetische Energie der Elektronen null, dann erfällt man für die Grenzfrequenz:

Nicht verwechselt werden darf der beschriebene äußere lichtelektrische Effekt mit dem inneren lichtelektrischen Effekt. Letzterer besagt, dass unter dem Einfluss von Strahlung Elektronen im Inneren eines Festkörpers ihre Bindungen verlassen können und dann als Leitungselektronen zur Verfügung stehen. Das wird bei einer Reihe von Halbleiterbauelementen genutzt.

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