Lichtelektrischer Effekt: Grundlagen, Nachweis und Anwendungen

a) Arten des lichtelektrischen Effekts

Äußerer lichtelektrischer Effekt: Durch Bestrahlung mit Licht werden Elektronen aus Oberflächen abgelöst.

Innerer lichtelektrischer Effekt: Im Inneren von Stoffen (Halbleitern) werden durch Licht Elektronen aus der Bindung gelöst und stehen dann im Stoff als wanderungsfähige Ladungsträger zur Verfügung.

b) Nachweis des äußeren Lichtelektrischen Effekts

Wenn eine negativ geladene Zinkplatte mit ultraviolettem Licht (UV-Licht) bestrahlt wird, entlädt sich die Platte. Verwendet man stattdessen sichtbares Licht, wird die negativ geladene Zinkplatte praktisch nicht entladen, selbst bei sehr hoher Lichtintensität. Bestrahlt man eine positiv geladene Platte mit beliebigem Licht, tritt kein Effekt auf. Erklärung: Licht kann nur die beweglichen Elektronen aus der Platte herauslösen, die positiven Atomrümpfe jedoch nicht. Zur Ablösung der Elektronen aus einem Festkörper ist eine bestimmte Energie erforderlich, die als Ablöseenergie E_ab oder Austrittsarbeit bezeichnet wird.

c) Quantitative Untersuchung mit der Vakuum-Fotozelle

Mithilfe einer Vakuum-Fotozelle kann man quantitativ untersuchen, wie die kinetische Energie der Elektronen von der Frequenz des verwendeten Lichts abhängt. Licht fällt auf eine Kathode aus Alkalimetall. Die austretenden Elektronen besitzen eine bestimmte maximale kinetische Energie E_kin. Es fließt ein Strom. Vergrößert man die Gegenspannung zwischen Kathode und Anode, werden die Elektronen im Gegenfeld abgebremst.

Wenn die kinetische Energie der Elektronen nicht mehr ausreicht, um das Gegenfeld zu überwinden, ist die Stromstärke null. Für diesen Grenzfall gilt: e · U = E_kin = 1/2 m · v². Dabei ist U die Spannung zwischen Anode und Kathode bei I = 0 und damit e · U gleich der Arbeit gegen das elektrische Feld. Bestrahlt man die Kathode der Fotozelle mit Licht verschiedener Frequenzen, erhält man einen Zusammenhang zwischen Energie und Frequenz, der als Einstein-Gerade bezeichnet wird und der in der nachfolgenden grafischen Darstellung für die Alkalimetalle Natrium und Caesium dargestellt ist.

Der Anstieg der Geraden ergibt sich als Quotient ΔE : Δf. Er ist für alle Materialien gleich und wird als plancksches Wirkungsquantum bezeichnet: h = ΔE / Δf.

d) Berechnung von Frequenz und kinetischer Energie

Aus der Wellenlänge des Lichts kann man mit der Gleichung f = c / λ die betreffende Frequenz berechnen. Die kinetische Energie E_kin ergibt sich aus der jeweiligen Gegenspannung: E_kin = e · U_g. Damit erhält man folgende Werte: