Photoeffekt

Der Photoeffekt bezeichnet die Emission von Elektronen aus einer Materialoberfläche, meist Metall, infolge der Absorption von Licht. Das Phänomen lässt sich durch die Annahme erklären, dass Licht aus diskreten Energiepaketen, Photonen, besteht, deren Energie h f die Elektronen zum Verlassen der Oberfläche befähigt.

Für ein Elektron, das aus der Oberfläche austritt, gilt die Energiegleichung E_k,max = h f − φ, wobei φ die Arbeit des Materials ist. Damit ist der Austritt nur möglich, wenn die Lichtfrequenz f größer ist als die Grenzfrequenz f0 = φ/h. Unterhalb von f0 liegt keine Emission vor, unabhängig von der Intensität.

Bei f > f0 steigt die Emissionsrate mit der Lichtintensität, da mehr Photonen auf die Oberfläche treffen. Die gemessene Elektronenstromstärke gibt die Anzahl der emittierten Elektronen an und hängt damit von der Photonenanzahl ab. Die maximale kinetische Energie der Elektronen kann durch das Messung des Stopppotentials bestimmt werden.

Historisch zeigte der Photoeffekt, dass Licht träge Quantencharakter besitzt und dass die Energie von Lichtquanten proportional zur Frequenz ist. Albert Einstein erklärte 1905 den Effekt und führte das Quantumprinzip für das Licht ein; dafür erhielt er 1921 den Nobelpreis.

Anwendungen des Photoeffekts finden sich in Detektoren wie Photodioden, Photomultiplikatoren oder Spektrometern sowie in Grundprinzipien von Photoemissionsmessungen und bestimmten Sensoren. Das Phänomen half maßgeblich zur Entwicklung der Quantenmechanik und zur Bestimmung der Arbeit des Materials.