Fotoelektronemission

Fotoelektronemission ist das Phänomen, bei dem Elektronen aus einem Material freigesetzt werden, wenn es von elektromagnetischer Strahlung getroffen wird, deren Energie die Austrittsarbeit φ des Materials übersteigt. Absorbiert ein Photon der Energie hν, kann ein Elektron die Oberfläche verlassen. Die resultierende kinetische Energie des Emissionselectrons ist typischerweise Ekin = hν − φ, vorausgesetzt, kein äußeres Feld beeinflusst den Prozess. Ein externes Feld kann die Emission zusätzlich beschleunigen oder abschirmen.

Der Schwellenwert ν0 = φ/h markiert die minimale Frequenz, bei der Emission beginnt. Die Emissionsrate steigt mit der Lichtintensität, solange ν > ν0; die maximale kinetische Energie hängt von der Photonenenergie ab. Das Phänomen lässt sich durch Einsteins Quantentheorie des Lichts erklären, die das Photonenkonzept einführte und zeigt, dass die Emission quantenbasiert gesteuert wird.

Historisch führte der Photoelektrische Effekt zur Bestätigung des Quantensatzes des Lichts und trug maßgeblich zur Entwicklung der Quantenmechanik bei. Einstein erhielt 1921 den Nobelpreis für Physik für seine Erklärung dieses Effekts. Das Phänomen ist nach wie vor zentral in der Oberflächen- und Festkörperphysik sowie in der Analyse von Materialien.

In der Praxis wird Photoelektronemission in der Photoelektronenspektroskopie (PES) genutzt, um die Elektronenstruktur von Materialien zu untersuchen. Ultraviolet- oder Röntgenphotonen lösen Elektronen aus Oberflächen, und aus Ekin sowie dem Messwinkel lassen sich Bandstruktur, Fermi-Niveau und chemische Zustände ableiten. Varianten wie ARPES liefern momentumaufgelöste Informationen; XPS dient der chemischen Analytik. Experimente erfolgen typischerweise unter Hochvakuum.