Photoeffekt

Beim Photoeffekt treten Elektronen aus einem Metall heraus, das mit Licht beschienen wird. Die Erklärung dieses Effekts hat wesentlich zur Entwicklung der Quantentheorie beigetragen.

Bei Lichtschranken im Fahrstuhl passiert es tagtäglich: Elektronen treten aus einem Metall heraus, wenn dieses mit Licht beschienen wird. Als Physiker um 1900 diesen Effekt erklären wollten, bissen sie sich die Zähne daran aus. Denn mit der klassischen Physik war da nicht viel zu machen; zur Erklärung musste erst noch die Quantentheorie entwickelt werden.

Einsteins Erklärung Albert Einstein nahm sich im Jahr 1905 einer Erklärung des Photoeffekts an. Die nicht-klassischen Eigenschaften konnte er dabei elegant erklären, indem er sich Licht als aus kleinen Energiepaketen zusammengesetzt vorstellte. Diese Energiepakete wurden 1926 „Photonen“ genannt.

Besteht Licht aus Teilchen? Der Photoeffekt liefert wichtige Indizien zur Teilchenartigkeit von Licht. Dies bedeutet aber nicht, dass Licht aus Teilchen besteht. Welleneigenschaften des Lichts treten auch beim Photoeffekt an freien Atomen zutage. So werden Elektronen dabei nicht in Richtung der Lichtsausbreitung ausgesendet, sondern senkrecht dazu in Richtung der elektrischen Feldstärke der entsprechenden Welle: Licht ist also weder Teilchen noch Welle, sondern etwas Drittes.

Anwendungen des Photoeffekts Der Photoeffekt findet vielfache Verwendung. Mit seiner Hilfe

produzieren Lichtschranken je nach Lichteinfall unterschiedliche elektrische Signale,
werden Elektronen für Teilchenbeschleuniger erzeugt und
werden infrarote (Wärme)-Photonen in Nachtsichtgeräten sichtbar gemacht.

Geschichte eines Effekts Als der Photoeffekt zum ersten Mal bemerkt wurde, wusste die Welt noch nichts von Elektronen. Damals – im Jahr 1887 – untersuchte Heinrich Hertz die Funkenbildung zwischen elektrisch geladenen Platten. Er bemerkte, dass die Stärke und Anzahl der Funken zunahm, als er die Metallflächen mit ultraviolettem Licht bestrahlte. Was da passierte, verstand er noch nicht. Erst 1899 zeigte Philipp Lenard, dass beim Lichteinfall negativ geladene Teilchen die Platten verlassen: Es handelte sich um die zwei Jahre zuvor entdeckten Elektronen. Die quantitativen Untersuchungen wurden erst im Jahr 1902 vollständig abgeschlossen und allesamt 1905 mit Einsteins Lichtquantenhypothese erklärt. Damit legte Einstein einen wichtigen Grundstein zur Quantentheorie und erhielt dafür 1921 den Nobelpreis für Physik.