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Themen: Photoeffekt: Herauslösen von Elektronen einfach erklärt

Was ist der photoelektrische Effekt?

Äußerer photoelektrischer Effekt - (kurz: Photoeffekt, veraltet: äußerer lichtelektrischer Effekt, Photoemission oder Hallwachs-Effekt genannt) ist eine Wechselwirkung von Materie mit Licht - nämlich die Fähigkeit von Photonen mit bestimmter Frequenz - Elektronen aus einem Metall herauszulösen.

Photoelektrischer Effekt: Formel

\[ h \, f ~=~ \frac{1}{2} \, m_{e} \, v^2 ~+~ h \, f_G \]
Mehr zur Formel...
  • h: Planck-Konstante 6,626 · 10-34 Js
  • f: Frequenz des einfallenden Lichts
  • mE: Ruhemasse des Elektrons 9,109 · 10-31 kg
  • v: Geschwindigkeit des Elektrons
  • fG: Grenzfrequenz

3 Widersprüche zur Wellentheorie

Widerspruch Nr.1: Nach der klassischen Vorstellung müssten Elektronen mit jeder Lichtfrequenz f herausgelöst werden können. Eine Grenzfrequenz fG existiert nicht in der Wellentheorie! Was Du im Experiment beobachtest, ist aber: Es existiert eine Grenzfrequenz, unter deren Grenze kein Photoeffekt stattfindet.

Widerspruch Nr.2: Außerdem könntest Du nach der klassischen Wellentheorie die Metallplatte mit einer beliebigen Lichtfrequenz ein bisschen länger bestrahlen, damit die in Schwingung versetzten Elektronen eine genügend hohe Amplitude bekommen, um aus der Metallplatte herausgeschleudert zu werden. Das Experiment zum Photoeffekt zeigt aber: Egal wie lange Du die Metallplatte bestrahlst, es treten keine Elektronen heraus! Photoeffekt setzt sofort ein - ohne Verzögerung!

Widerspruch Nr.3: Die kinetische Energie der Elektronen hängt nicht von der Lichtintensität, sondern von der Lichtfrequenz ab. Ein Widerspruch! Denn nach der klassischen Wellentheorie müsste die kinetische Energie der Elektronen mit steigender Frequenz abnehmen, da sie im klassischen Wellenbild proportional zu \( \frac{1}{f^2} \) ist. Beim Photoeffekt-Experiment stellst Du aber eine Zunahme der Energie fest! Außerdem sollte die kinetische Energie nach der klassischen Vorstellung proportional zum Quadrat der Amplitude sein, was aber im Photoeffekt-Experiment ebenfalls nicht beobachtet wird. Kinetische Energie der Elektronen ist nur von der Frequenz abhängig!

Wissenswertes zu Photoeffekt

Die Energie der Photoelektronen, beim Photoeffekt, ist ausschließlich von der Frequenz des Lichts bestimmt, jedoch nicht von der Intensität. Dies ist aber nur dann der Fall ist, wenn Du relativ schwache Lichtintensität verwendest! Wenn Du dagegen einen sehr intensiven Lichtstrahl auf eine Nadel fokussierst, deren Größe im Nano-Bereich liegt, dann scheitert das Modell des Photoeffekts. Denn dann sind Photonen so dicht beieinander, sodass das Licht sich wie eine kontinuierliche Welle verhält.

Laut Albert Einstein, kann das Elektron nur ein einzelnes Photon zu einem bestimmten Zeitpunkt absorbieren. Neue Forschung zeigt aber, dass das Elektron auch in der Lage ist, Tausende von Photonen gleichzeitig aufzunehmen. All die absorbierten Photonen haben ihre ganze Energie an das Elektronen abgegeben! Wobei man diese "Gleichzeitigkeit" in Anführungszeichen setzen sollte. Denn diese Absorption der Photonen geschieht nicht wirklich zur selben Zeit. Das kann man sich folgendermaßen vorstellen: Wenn ein energiearmes Photon auf ein Elektron trifft, dann schafft es vielleicht nicht, das Elektron freizusetzen, aber es findet eine Anregung des Elektrons durch das Photon statt. Dieser angeregte Zustand würde nach einer kurzen Zeitspanne wieder in den Grundzustand übergehen. Trifft aber ein weiteres energiearmes Photon auf das Elektron, welches sich noch in einem angeregten Zustand befindet, dann summiert sich die Energie beider Photonen auf. Das Elektron hat jetzt Energie beider Photonen. Somit können aktueller Forschung nach, auch energiearme Photonen eine Austrittsarbeit überwinden, die sie einzeln niemals überwinden würden. Die Summe der Photonenenergien war also ausreichend um das Elektron aus dem Metall herauszulösen, obwohl eine Lichtfrequenz eingesetzt wurde, mit der die Austrittsarbeit - nach dem jetzigen Modell - nicht überwunden werden könnte. BeispielSetzen wir rotes Licht in einem Standardexperiment ein, werden wir keine Elektronen herauslösen können. Verwenden wir dagegen einen intensiven, roten Lichtstrahl und fokussieren ihn auf eine Spitze, dann werden Elektronen doch herausgelöst!

Wie du siehst, unter richtigen Bedingungen, kann das klassische Wellenmodell des Lichts für die Beschreibung des Photoeffekts verwendet werden, während die gängige Interpretation des Photoeffekts im Grunde genommen versagt. Alles ist relativ!

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