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Alexander Fufaev

Photoeffekt

aus dem Bereich: Geschichte
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Photoeffekt und seine erste Beobachtung in der Geschichte

Die Entdeckung des Photoeffekts begann ihren Lauf im Jahr 1839. Ein französischer Physiker namens Alexandre Edmond Becquerel hat festgestellt, dass jedes Mal, wenn er ein bestimmtes Material dem Licht ausgesetzt hatte, ein schwacher elektrischer Strom erzeugt wurde. Er hatte seine Beobachtung als "photovoltaischer Effekt" bezeichnet. Es war eine wichtige theoretische Grundlage für den Bau einer Solarzelle, mit der später Sonnenlicht in die Elektrizität umgewandelt werden konnte. Damit hat er gezeigt, dass es einen Zusammenhang zwischen dem einfallenden Licht und den Eigenschaften des Materials gibt.

In 1873 gab es einen weiteren Hinweis auf den Zusammenhang zwischen einem bestimmten Material und dem einfallenden Licht. Ein englischer Ingenieur Willoughby Smith bemerkte eine Änderung des elektrischen Widerstandes, wenn er Selen belichtete. Diese Entdeckung wurde später von zwei deutschen Studenten Johann Elster und Hans Geitel aufgegriffen, die eine erste praktisch anwendbare photoelektrische Zelle hergestellt hatten; mit der man die Intensität des Lichts messen konnte.

Photoeffekt wurde zufällig beobachtet und als Hallwachs-Effekt benannt

Portrait: Heinrich Hertz
Photoeffekt wurde ganz intensiv von Heinrich Hertz beobachtet.

Die allerwichtigste Beobachtung zum Photoeffekt wurde erst im Jahr 1887 gemacht. Es war eine komplett zufällige Entdeckung vom deutschen Physiker Heinrich Hertz. Er wollte die Existenz elektromagnetischer Strahlung nachweisen, die von dem Schotten J.C.Maxwell theoretisch vorhergesagt wurde. Aber der Heinrich hatte ein Problem: am Empfänger konnte er schlecht den elektrischen Funken erkennen, den anscheinend die elektromagnetische Strahlung verursacht hatte. Deshalb packte er den Empfänger, bei dem die Strahlung detektiert wurde, in eine dunkle Schachtel und beobachtete den Funken durch ein Glasfenster. Jedes Mal, wenn er das machte, stellte er fest, dass in dieser dunklen Schachtel die Funkengröße sich auf irgendeiner Weise verkleinert hatte. Aber - was hat den Funken verkleinert? Da sich nur ein Glasfenster zwischen der Quelle und dem Empfänger befand, war es das Einzige, was die Änderung verursacht haben könnte. Also ersetzte er das Glasfenster mit einem Quarzfenster und siehe da: die Funkengröße war wieder normal! Offensichtlich hatte das Licht einen Einfluss auf den Funken, der mit dem Glas abgeschirmt werden konnte. Heinrich Hertz hatte zwar keine weiteren Untersuchungen zu seiner Entdeckung gemacht, aber sein damaliger Assistent Wilhelm Hallwachs... Er hatte eine Idee für den experimentellen Aufbau, mit dem man die zufällige Entdeckung von Hertz genauer untersuchen könnte. Er nahm eine Zinkplatte und schloss sie mit einem Kabel an ein negativ geladenes Elektroskop an. Ohne einer äußeren Einwirkung verlor das Elektroskop fast keine Ladung! Das heißt der Zeigerausschlag blieb gleich. Dann nahm er ultraviolettes Licht und bestrahlte damit die Platte. Dies führte zu einem sofortigen Zeigerausschlag! Es sah so aus, als ob das Elektroskop seine negative Ladung verlieren würde. Wenn er dagegen das Elektroskop positiv aufgeladen hatte, gab es komischerweise keine Entladung wie bei dem negativ geladenen Elektroskop. Die positive Ladung blieb irgendwie immer da und verschwand nicht, wie negative Ladung... Er stellte sich die Frage - WARUM? Warum fand bei einem negativ geladenen Elektroskop ein Verlust der negativen Ladung statt, während es bei dem positiv geladenen Elektroskop die positive Ladung blieb?! Dabei muss man natürlich berücksichtigen, dass zum damaligen Zeitpunkt noch keine Elektronen und Protonen bekannt waren. Es war also nicht wirklich einfach für ihn seine Beobachtung zu interpretieren. Schlussendlich nahm Wilhelm Hallwachs an, dass das ultraviolette Licht die Zinkplatte positiv aufgeladen hatte, sodass die negative Ladung des Elektroskops durch das Kabel zur positiven Zinkplatte floss und damit den Zeigerausschlag verursachte. Ein paar Jahre später untersuchte er dieses Phänomen nicht nur mit Zink, sondern auch mit anderen Metallen und stelle fest, dass die Schnelligkeit der Entladung des Elektroskops sich mit dem eingesetzten Material variierte. Wie man sieht, hatte nicht nur das Licht einen Einfluss auf die Entladung des Elektroskops, sondern auch die Eigenschaft des bestrahlten Materials. Durch seine unzähligen Experimente dazu, wurde der Photoeffekt (also seine Beobachtung) als Hallwachs-Effekt bezeichnet. Negativ aufgeladenes Elektroskop verliert negative Ladung, wenn die dazu angeschlossene Metallplatte mit dem ultravioletten Licht bestrahlt wird. Positiv aufgeladenes Elektroskop verliert keine positive Ladung, wenn die dazu angeschlossene Metallplatte mit dem ultravioletten Licht bestrahlt wird.

Eine seltsame Abschwächung beim Photoeffekt

Zu der Zeit existierte auch ein Rätsel mit der allmählichen Abschwächung des Photoeffekts. Nach dem eine Metallplatte mehrere Male bestrahlt wurde, war der Photoeffekt schwächer. Als würde die Metallplatte einen "Verschleiß" bekommen. Niemand wusste wirklich, warum diese Abschwächung eintrat..bis Wilhelm Hallwachs etwas Erstaunliches bemerkt hatte. Eine komplett neue, unbenutzte Metallplatte verlor ihre negative Ladung, auch ohne Durchführung des Experiments zum Photoeffekt! Das heißt die Metallplatte lag einfach irgendwo herum an der Luft. Er wusste jedoch nicht, dass diese Abschwächung im Vakuum verschwand...aber dazu später mehr!

Zusammenhang zwischen Photostrom und Spannung

Von 1888 bis 1890 machte ein russischer Physiker Alexander Grigorjewitsch Stoletow weitere Entdeckungen zum Photoeffekt. Er hatte einen Versuchsaufbau entwickelt und konnte damit unter anderem einen Zusammenhang zwischen der Elektrodenspannung und dem elektrischen Strom feststellen, der durch das einfallende Licht verursacht wurde. Anders gesagt: Der Photostrom (also ein elektrischer Strom der durch das Licht verursacht wird) wuchs bei Vergrößerung der Elektrodenspannung. Der Photostrom schien proportional zur Spannung zu sein. Anders gesagt: wenn man die Spannung verdoppeln würde, würde sich auch der Strom verdoppeln. Diese Proportionalität konnte aber nur bei kleinen Spannungen beobachtet werden; sobald der Spannungswert groß genug wurde, änderte sich der Photostrom praktisch gar nicht, denn er erreichte eine Sättigung! Wie man diese Beobachtung theoretisch interpretieren könnte, war noch nicht wirklich klar... Je größer die Elektrodenspannung, desto größer der Photostrom. Bis eine Sättigung erreicht wird!

Photoeffekt und seine falsche Interpretation

Kathodenstrahlung - ein Fluss der Elektronen

Es vergingen einige Jahre, bis ein englischer Physiker Sir Joseph John Thomson eine unglaubliche Entdeckung mit einer sogenannten Schattenkreuzröhre gemacht hatte. Sie besteht aus einem Metallplättchen (Kathode) und einem Metallkreuz (Anode), zwischen denen eine hohe Spannung angelegt ist. Die beiden befinden sich in einem Glasbehälter. Sobald die Schattenkreuzröhre im Betrieb ist, setzt die Kathode Kathodenstrahlung frei und regt die Luftteilchen zum Leuchten an, sodass dadurch ein Schatten hinter dem Kreuz (Anode) entsteht. Er hatte mit seinen Experimenten nicht nur nachgewiesen, dass die Kathodenstrahlung ein Strom aus Teilchen war, sondern konnte auch zeigen, dass sie negativ geladen waren. Später wurden diese Teilchen Elektronen genannt. Die Kathodenstrahlung war also nichts anderes als ein Strom bestehend aus Elektronen. Die Kathodenstrahlung - ist ein Photostrom der Elektronen

Photoeffekt interpretiert von J.Thomson und P.Lenard

Thomson glaubte, dass eine Elektronenabgabe des Metallplättchens dann stattfindet, sobald die Kathode einer hochfrequenten Strahlung ausgesetzt wird. Die Elektronenanzahl hinge seiner Annahme nach, sowohl von der Lichtintensität als auch von der Frequenz bzw. Farbe des Lichts. Das heißt: Je höher die Lichtfrequenz oder die Intensität, desto größer ist die Anzahl der Elektronen. Diese Behauptung stellte sich 5 Jahre später als nicht ganz richtig heraus, denn ein deutscher Physiker namens Philipp Lenard, hatte in einem Experiment beobachtet, dass die Anzahl der aus einer Metallplatte herausgelösten Elektronen ausschließlich von der Intensität abhing, aber nicht von der Frequenz des Lichtes. Die Bewegungsenergie und damit die Geschwindigkeit jedes Elektrons war dagegen nur von der Lichtfrequenz abhängig, aber nicht von der Lichtintensität. Philipp hat das Ergebnis folgendermaßen interpretiert: er glaubte nicht daran, dass das einfallende Licht seine Energie an die Elektronen weitergeben hat, sondern er sagte, dass die Elektronen ihre kinetische Energie bereits besitzen; sie bekommen keine zusätzliche Energie vom Licht, sie werden durch das Licht nur aus dem Metall herausgelöst! Diese Interpretation des Photoeffekts von Philiipp Lenard dominierte bis 1911.

Übrigens maß Philiipp Lenard die kinetische Energie nicht direkt, sondern, in dem er den Spannungswert bestimmt hatte, bei dem der Photostrom aufhörte zu fließen. Es war die sogenannte Gegenfeldmethode. Also eine Methode bei der das elektrische Feld so gerichtet ist, dass es die Elektronen nicht beschleunigt, sondern abbremst. Beispielhaft gesagt: Für ultraviolettes Licht würde man einen höheren Spannungswert brauchen, um den Photostrom zu unterbinden, als für blaues Licht. Lenard war jedoch nicht wirklich in der Lage zu sagen, warum man ausgerechnet für ultraviolettes Licht einen höheren Spannungswert bräuchte, als für blaues Licht...

Albert Einstein
Albert Einstein beschrieb den Photoeffekt nicht mit der klassischen Physik.

Einstein-Gleichung und die Lichtquantenhypothese

Im Jahr 1905 machte Albert Einstein eine alternative Interpretation der experimentellen Ergebnisse von Lenard. Einstein beschrieb den Photoeffekt mit einer einfachen mathematische Gleichung auf der Grundlage seiner Lichtquantenhypothese. Auf die Idee kam er, nach dem Max Planck die sogenannte Ultraviolett-Katastrophe löste. Max Planck löste sie, indem er behauptete, dass die Strahlungsenergie nicht kontinuierlich, sondern gequantelt (portioniert) abgegeben wird. Das heißt: das Metall gibt Strahlung häppchenweise ab! Die Energie eines einzelnen Quants, also einer Energieportion, ist beschreibbar durch das Produkt einer Konstanten mit der Frequenz der emittierten Strahlung des Metalls. Wobei die Konstante zu Ehren des Forschers plancksches Wirkungsquantum (oder auch Planck-Konstante) genannt wird. Was hat aber Albert Einstein gemacht? Nun, er hat die Quantenhypothese von Max Planck auch auf das Licht ausgeweitet. Er behauptete, dass nicht nur das Metall diese Quanten-Eigenschaft besitzt, sondern auch das Licht! Laut Einstein besteht das Licht also aus Energieportionen, die mit der Formel h × f beschreibbar sind. Und das ist seine Lichtquantenhypothese. Auf dieser Grundlage beschrieb er den photoelektrischen Effekt. Auf einmal war die elektromagnetische Strahlung keine kontinuierliche Welle mehr, sondern ein Strom aus Energien, die in kleine Wellenpakete aufgeteilt sind. Die Idee - das Licht nicht mehr als eine kontinuierliche Welle, sondern als ein Teilchenstrom zu betrachten - war bahnbrechend. Die Energiepakete wurden übrigens später als Photonen bekannt. Photonen - sind in "Häppchen" aufgeteiltes Licht. Jedes Photon besitzt die Energie:
E=h · f
h - plancksches Wirkungsquantum
f - Frequenz des Lichts

Man muss jedoch erwähnen, dass Einsteins Idee, über 20 Jahre, die Physiker nicht wirklich überzeugen konnte, denn sie widersprach der klassischen Physik. Es war damals einfach absurd, die experimentell bestätigte Wellentheorie des Lichtes zu verwerfen und sie als falsch abzustempeln. Außerdem konnte die Lichtquantenhypothese im Gegensatz zur Wellentheorie keine Interferenz erklären. Die Interpretation von Einstein wurde nicht wirklich akzeptiert... Ein amerikanischer Physiker Robert Millikan fand die Lichtquantehypothese so absurd, dass er Experimente aufbaute, um sie zu widerlegen. 3 Jahre bemühte er sich den Photoeffekt äußerst genau zu messen. Komischerweise haben seine Experimente die Vorhersagen von Einstein nicht widerlegt, sondern bestätigt! Zumindest die mathematische Beschreibung... An die Lichtquantenhypothese glaubte Millikan immer noch nicht... Aber es war schon sehr interessant, dass man durch einen sehr simplen linearen Zusammenhang zwischen der Energie und der Frequenz, es möglich war die seltsamste Naturkonstante zu messen - nämlich das Plancksche Wirkungsquantum.

Arthur Compton bestätigt Lichtquantenhypothese

Im Jahr 1923, ein Jahr nach dem Einstein den Nobelpreis bekommen hatte, machte ein amerikanischer Physiker Arthur Compton einen entscheidenden Schritt zur Akzeptanz der Lichtquantenhypothese. Er demonstrierte, dass das Licht, also elektromagnetische Strahlung, nicht immer als ein Wellenphänomen beschrieben werden kann. Er beobachtete in einem Experiment, dass die Gammastrahlung wie ein Teilchen gestreut wird und eine verringerte Frequenz und somit auch geringere Energie besitzt, wenn sie auf einen Kristall (z.B. Graphit) fällt. Dieses Experiment (Compton-Effekt) widersprach der klassischen Wellentheorie, denn nach ihr, müsste die gestreute Gammastrahlung die gleiche Energie besitzen wie die einfallende Gammastrahlung. Aber es war nicht so... Und seit diesem Moment weiß man nicht wirklich, was eigentlich das Licht ist. Warum verhält sich in manchen Experimenten das Licht wie eine Welle, und in anderen Experimenten wie ein Teilchen? Diese rätselhafte Eigenschaft des Lichtes wird als Welle-Teilchen-Dualismus bezeichnet. Beim Compton-Effekt gibt das Licht ein Teil seiner Energie ab, da es mit verringerter Frequenz gestreut wird. Diese Beobachtung rechtfertigt die Formel E=h · f und damit auch die Lichtquantenhypothese von Albert Einstein.

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