Der photoelektrische Effekt

Einfach gesagt: Der photoelektrische Effekt (gehört zum Bereich – Quantenphysik) beschreibt einen physikalischen Vorgang, bei dem ein Photon (= Lichtteilchen)  von einem in einem Material gebundenen Elektron absorbiert wird. Dadurch erfolgt eine Ablösung von Elektronen aus dem Atom oder Atomverband des Materials.

Warum ist der photoelektrische Effekt so bedeutsam?

  • Die herkömmlichen Solarzellen, die für die Stromerzeugung aus Sonnenenergie zuständig sind, beruhen auf diesem Effekt. Hierbei wird ein Elektron durch elektromagnetische Strahlung (Sonnenlicht) gelöst und so durch den photovoltaischen Effekt die Lichtenergie in elektrische Energie umgewandelt.
  • Der photoelektrische Effekt gibt wichtige Hinweise zum Teilchencharakter des Lichts (“Welle-Teilchen-Dualismus”).
  • Der photoelektrische Effekt ist die Grundlage einiger Messgeräte, die schwache Lichtsignale registrieren und in elektrische Signale umwandeln, die dann ausgewertet werden können.

Der photoelektrische Effekt

Wie bereits in der Einleitung erwähnt, beschreibt der Photoeffekt einen Vorgang, bei dem Elektronen i.d.R aus einer Metalloberfläche durch auftreffende Photonen (z.B. Sonnenlicht) herausgeschlagen werden. Dabei kann man sich die Elektronen nach dem Bohrschen Atommodell so vorstellen, dass sie auf einer Bahn (manchmal auch als Schale bezeichnet) um den Atomkern kreisen. Diese Elektronen halten sich auf der Kreisbahn, da sich die Anziehungskraft des Kerns auf das Elektron und die Zentripetalkraft des Elektrons auf der Kreisbahn im Gleichgewicht befinden (Annahme des Bohrschen Atommodells).
Ein eintreffendes Photon besitzt eine bestimmte Energie. Diese Energie kann das Photon bei einem Zusammenstoß mit einem Elektron übertragen. Durch die zugeführte kinetische Energie kann es dem Elektron ermöglicht werden, aus der “Bahn” bzw. der Metalloberfläche” herausgeschlagen zu werden.

Rechnen mit dem photoelektrischen Effekt

Legende:

  • h: Plancksches Wirkungsquantum (h = 6,62·10-34 J·s)
  • f: Frequenz des Photons
  • Ekin = 0,5·m·v² (kinetische Energie des Elektrons, nachdem es herausgeschlagen wurde)
  • l : Wellenlänge des Lichtes
  • c: Lichtgeschwindigkeit

Weitere “photoelektrische” Effekte”

In der Physik gibt es weiterer Phänomene, die auf der Grundlage des photoelektrischen Effektes beruhen:

  • Der innere photoelektrische Effekt (Änderung der Leitfähigkeit eines Halbleiters bei Belichtung)
  • Die Photoionisation (Ionisation von Gasen durch elektromagnetische Wellen -> Nachweismethode)
  • Der photovoltaische Effekt (Energiegewinnung aus Sonnenlicht -> Solarmodule)

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Der photoelektrische Effekt – Testfragen/-aufgaben

1. Was ist der photoelektrische Effekt?

Der photoelektrische Effekt ist das Phänomen der Emission von Elektronen von einer Oberfläche, wenn Licht darauf fällt.

2. Wer hat den photoelektrischen Effekt entdeckt?

Der photoelektrische Effekt wurde von Heinrich Hertz im Jahr 1887 entdeckt.

3. Welcher Wissenschaftler erklärte den photoelektrischen Effekt und erhielt dafür den Nobelpreis?

Der Wissenschaftler Albert Einstein erklärte den photoelektrischen Effekt und erhielt dafür 1921 den Nobelpreis für Physik.

4. Was passiert beim photoelektrischen Effekt auf atomarer Ebene?

Beim photoelektrischen Effekt nimmt ein Elektron in der Oberflächenschicht eines Materials ein Photon auf und wird dadurch aus dem Material herausgeschleudert.

5. Was sind Photonen und welche Rolle spielen sie im photoelektrischen Effekt?

Photonen sind Lichtteilchen. Im photoelektrischen Effekt werden sie von den Elektronen aufgenommen, was zur Emission der Elektronen führt.

6. Welchen Einfluss hat die Frequenz des Lichts auf den photoelektrischen Effekt?

Die Frequenz des Lichts bestimmt die Energie der Photonen. Nur wenn die Energie der Photonen höher ist als die Bindungsenergie der Elektronen, kann der photoelektrische Effekt stattfinden.

7. Was passiert, wenn das Licht auf die Oberfläche fällt, aber die Frequenz zu niedrig ist?

Wenn die Frequenz des Lichts zu niedrig ist, wird kein photoelektrischer Effekt auftreten, da die Energie der Photonen nicht ausreicht, um die Elektronen aus dem Material zu lösen.

8. Was ist die Arbeitsfunktion in Bezug auf den photoelektrischen Effekt?

Die Arbeitsfunktion ist die Mindestenergie, die ein Elektron benötigt, um aus einem Material gelöst zu werden. Sie ist spezifisch für jedes Material.

9. Wie wirkt sich die Intensität des Lichts auf den photoelektrischen Effekt aus?

Die Intensität des Lichts beeinflusst die Anzahl der Photoelektronen, die aus dem Material ausgestoßen werden, jedoch nicht ihre Energie.

10. Was sind einige praktische Anwendungen des photoelektrischen Effekts?

Praktische Anwendungen des photoelektrischen Effekts finden sich in vielen Bereichen wie: Photovoltaik (Solarzellen), Fotodioden in optischen Kommunikationssystemen, Lichtmessung in Fotografie und Astronomie, uvm.