Der photoelektrische Effekt bezieht sich darauf, was passiert, wenn Elektronen von einem Material emittiert werden, das elektromagnetische Strahlung absorbiert hat. Der Physiker Albert Einstein war der erste, der den Effekt vollständig beschrieb, und erhielt für seine Arbeit einen Nobelpreis.
Was ist der photoelektrische Effekt?
Licht mit Energie über einem bestimmten Punkt kann verwendet werden, um Elektronen loszuwerden und sie von einer festen Metalloberfläche zu befreien, so Scientific American. Jedes Lichtteilchen, Photon genannt, kollidiert mit einem Elektron und nutzt einen Teil seiner Energie, um das Elektron zu entfernen. Der Rest der Energie des Photons wird auf die freie negative Ladung übertragen, die als Photoelektron bezeichnet wird.
Das Verständnis, wie dies funktioniert, revolutionierte die moderne Physik. Anwendungen des photoelektrischen Effekts brachten uns Türöffner mit "elektrischem Auge", Lichtmesser für die Fotografie, Sonnenkollektoren und photostatisches Kopieren.
Entdeckung
Vor Einstein war der Effekt von Wissenschaftlern beobachtet worden, aber sie waren durch das Verhalten verwirrt, weil sie die Natur des Lichts nicht vollständig verstanden hatten. In den späten 1800er Jahren stellten die Physiker James Clerk Maxwell in Schottland und Hendrik Lorentz in den Niederlanden fest, dass sich Licht wie eine Welle zu verhalten scheint. Dies wurde bewiesen, indem gesehen wurde, wie Lichtwellen Interferenz, Beugung und Streuung zeigen, die allen Arten von Wellen (einschließlich Wellen im Wasser) gemeinsam sind.
Einsteins Argument von 1905, dass Licht sich auch als Teilchensätze verhalten kann, war revolutionär, weil es nicht zur klassischen Theorie der elektromagnetischen Strahlung passte. Andere Wissenschaftler hatten die Theorie vor ihm postuliert, aber Einstein war der erste, der ausführlich darlegte, warum das Phänomen auftrat - und welche Auswirkungen dies hatte.
Zum Beispiel war Heinrich Hertz aus Deutschland der erste, der 1887 den photoelektrischen Effekt bemerkte. Er entdeckte, dass er, wenn er ultraviolettes Licht auf Metallelektroden strahlte, die Spannung senkte, die erforderlich war, um einen Funken hinter den Elektroden zu bewegen, so der englische Astronom David Darling.
Dann, 1899, in England, J.J. Thompson zeigte, dass ultraviolettes Licht, das auf eine Metalloberfläche trifft, den Ausstoß von Elektronen verursacht. Ein quantitatives Maß für den photoelektrischen Effekt kam 1902 mit Arbeiten von Philipp Lenard (einem ehemaligen Assistenten von Hertz). Es war klar, dass Licht elektrische Eigenschaften hatte, aber was vor sich ging, war unklar.
Nach Einstein besteht Licht aus kleinen Paketen, die zunächst als Quanten und später als Photonen bezeichnet werden. Wie sich Quanten unter dem photoelektrischen Effekt verhalten, kann durch ein Gedankenexperiment verstanden werden. Stellen Sie sich einen Marmor vor, der in einem Brunnen kreist und wie ein an ein Atom gebundenes Elektron aussieht. Wenn ein Photon hereinkommt, trifft es auf den Marmor (oder das Elektron) und gibt ihm genug Energie, um aus dem Brunnen zu entweichen. Dies erklärt das Verhalten von Licht auf Metalloberflächen.
Während Einstein, damals ein junger Patentangestellter in der Schweiz, das Phänomen 1905 erklärte, dauerte es noch 16 Jahre, bis der Nobelpreis für seine Arbeit verliehen wurde. Dies geschah, nachdem der amerikanische Physiker Robert Millikan nicht nur die Arbeit verifiziert hatte, sondern auch eine Beziehung zwischen einer von Einsteins Konstanten und Plancks Konstante gefunden hatte. Die letztere Konstante beschreibt, wie sich Teilchen und Wellen in der Atomwelt verhalten.
Weitere frühe theoretische Studien zum photoelektrischen Effekt wurden 1922 von Arthur Compton (der zeigte, dass Röntgenstrahlen auch als Photonen behandelt werden können und 1927 den Nobelpreis erhielten) sowie von Ralph Howard Fowler (1931) durchgeführt Beziehung zwischen Metalltemperaturen und photoelektrischen Strömen.)
Anwendungen
Während die Beschreibung des photoelektrischen Effekts sehr theoretisch klingt, gibt es viele praktische Anwendungen seiner Arbeit. Britannica beschreibt einige:
Photoelektrische Zellen wurden ursprünglich verwendet, um Licht unter Verwendung einer Vakuumröhre, die eine Kathode enthielt, zu detektieren, um Elektronen und eine Anode zu emittieren, um den resultierenden Strom zu sammeln. Heute haben sich diese "Fotoröhren" zu Fotodioden auf Halbleiterbasis entwickelt, die in Anwendungen wie Solarzellen und Glasfasertelekommunikation eingesetzt werden.
Fotovervielfacherröhren sind eine Variation der Fotoröhre, haben jedoch mehrere Metallplatten, die als Dynoden bezeichnet werden. Elektronen werden freigesetzt, nachdem Licht auf die Kathoden trifft. Die Elektronen fallen dann auf die erste Dynode, wodurch mehr Elektronen freigesetzt werden, die auf die zweite Dynode fallen, dann auf die dritte, vierte und so weiter. Jede Dynode verstärkt den Strom; Nach etwa 10 Dynoden ist der Strom stark genug, damit die Photovervielfacher auch einzelne Photonen erfassen können. Beispiele hierfür sind die Spektroskopie (bei der Licht in verschiedene Wellenlängen zerlegt wird, um mehr über die chemischen Zusammensetzungen von Sternen zu erfahren) und die computergestützte Axialtomographie (CAT), die den Körper untersucht.
Andere Anwendungen von Fotodioden und Fotovervielfachern umfassen:
- Bildgebungstechnologie, einschließlich (älterer) Fernsehkameraröhren oder Bildverstärker;
- Untersuchung nuklearer Prozesse;
- chemische Analyse von Materialien anhand ihrer emittierten Elektronen;
- theoretische Informationen darüber geben, wie Elektronen in Atomen zwischen verschiedenen Energiezuständen übergehen.
Aber die vielleicht wichtigste Anwendung des photoelektrischen Effekts war laut
Wissenschaftlicher Amerikaner. Es veranlasste die Physiker, die Natur des Lichts und die Struktur der Atome auf völlig neue Weise zu betrachten.
