Der Photoeffekt

Eines der ersten Phänomene, die zur Formulierung der Quantentheorie führten, war der sogenannte (äußere) Photoeffekt oder auch lichtelektrische Effekt. Dieser kann beobachtet werden, wenn eine negativ geladene Metallplatte, beispielsweise aus Zink, mit Lampen beleuchtet, die unterschiedliche Frequenzen aussenden. Weil Licht nichts anderes ist als elektromagnetische Strahlung, sollte es in der Lage sein, die auf der negativ geladenen Platte vorhandenen überschüssigen Elektronen aus dieser herauszulösen, sodaß sie sich entlädt.
[bild]
Beobachtet man die Ladung der Platte, während man sie beleuchtet, dann macht man zwei Beobachtungen:

  1. Erhöht man die Intensität des Lichtes, macht es also heller,  entlädt die Platte sich schneller.
  2. Wird eine bestimmte Frequenz unterschritten, entlädt sich die Platte garnicht, auch wenn die Intensität sehr hoch ist.

Der erste Punkt kann mit dem klassischen Bild der elektromagnetischen Welle noch erklärt werden: Die Intensität des Lichtes proportional zum Energieinhalt des Lichtes. Somit kommt bei heller Beleuchtung viel Energie auf der Platte an und viele Elektronen können herausgelöst werden.
Der zweite Punkt hingegen widerspricht der klassischen Wellenvorstellung des Lichtes: Wenn die Intensität der Bestrahlung nur hoch genug gesteigert würde, sollte eigentlich genügend Energie vorhanden sein, Elektronen aus dem Metall zu entfernen. Zudem ist die Intensität auch proportional zum Quadrat der elektromagnetischen Feldstärke, sodaß bei hellem Licht äußerst starke Felder auf die Elektronen wirken. Eine Grenzfrequenz, wie im Experiment beobachtet wird, erscheint insofern nicht plausibel.

Erklärbar wird das Phänomen, wenn man sich das Licht in einzene Teilchen gequantelt vorstellt, die man als Photonen bezeichnet. Jedes einzene dieser Quanten transportiert eine Energiemenge

    equation

, die durch die fundamentale Beziehung

    equation


bestimmt wird, wobe i

    equation

die Frequenz des Lichtes im Wellenbild ist.

    equation

ist das Placksche Wirkungsquantum, eine der wichtigsten Naturkonstanten und beträgt

    equation

. Die Photonen stoßen mit den Elektronen zusammen, wobei sie all ihre Energie an diese abgeben.

Mit diesem Modell ist der obere Versuch recht leicht erklärbar: Bei Licht mit zu kleiner Frequenz haben die Lichtquanten einfach nicht genügend Energie, um die zum Herausschlagen aus dem Metall notwendige Autrittsarbeit

    equation

aufzubringen. Erst ab einer Grenzfrequenz kann diese verrichtet werden. Der Intensität entspricht die anzahl von Photonen. So ist auch die erste Beobachtung plausibel: Viele Quanten können mit vielen Elektronen stoßen – die Entladung erfolgt schneller. Ist die Grenzfrequenz aber unterschritten, helfen auch viele Photen nicht, denn daß zwei Photonen zum selben Zeitpunkt auf ein und dasselbe Elektron stoßen, ist extrem unwahrscheinlich.