Der photoelektrische Effekt und die Hallwachs Versuche

Was ist Licht ?
Diese drei Wörter wefen große Rätsel auf. Der eine stellt sich Licht einfach als Strahl vor. Lichtstrahlen, die auf die Erde treffen, sind jedoch viel zu einfach gegriffen und beschreiben längst nicht mehr die Wahrheit.
Aus diesen drei Wörtern sind viele Experimente, Studien, Erkenntnisse und Theorien hervorgegangen.

Im Folgenden möchte ich einen kleinen Teil dieser Geschichte auffassen und mich mit dem photoelektrischen Effekt beschäftigen, welcher aus den Hallwachs Versuchen hervorging.

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Der Hallwachs Versuch

image taken from serlo physik

Der Hallwachsversuch ist recht schnell aufgebaut. Als Lichtquelle verwendet man eine Quecksilberlampe, welche auf eine Zinkplatte gerichtet ist. Diese Zinkplatte ist mit einem Elektroskop verbunden, um direkt sehen zu können, ob die Zinkplatte geladen ist.

Mit einem Elektroskop kann man elektrische Ladungen nachweisen. Dabei wird die Anziehung und Abstoßung elektrischer Ladungen ausgenutzt.
Abi Physik

Nun läd man die Platte einmal positiv und einmal negativ.
Wenn man die Zinkplatte positiv läd passiert nichts, aber sobald das Licht der Quecksilberlampe auf die negativ geladene Zinkplatte strahlt, entläd sich diese.

LEIFI Physik erklärt dieses Phänomen folgend:

Im 1. Teilversuch können die ausgelösten Ladungsträger die Platte nicht verlassen, da die elektrostatische Anziehung zwischen diesen negativen Ladungsträgern und der positiv geladenen Zinkplatte zu groß ist.

Im 2. Teilversuch können die ausgelösten Ladungsträger die Platte verlassen, da sie von der negativ geladenen Platte abgestoßen werden.

Die "ausgelösten Ladungsträger" sind Elektronen, wie Joseph J. Thomson im Jahre 1899 herausfand.

Damals ging man noch davon aus, dass Licht eine Welle sei. Diese Theorie widersprach auch nicht diesem Versuch, da man dieses Phänomen damit erklären könnte, dass Licht als Welle auf die Elektronen im Atom trifft. Diese funktionieren dann als Oszillatoren und werden durch den großen Ausschlag der Welle aus dem Atom gelöst.

Gegen diesen Wellencharakter sprach jedoch der dritte Teilversuch.
Bei diesem wurde vor die negativ geladene Zinkplatte eine Glasscheibe gehalten, wie sie auch bei euch zu Hause in den Fenstern verbaut ist.
Als jetzt die Quecksilberlampe durch die Glasscheibe auf die Zinkplatte strahlte, entlud sich diese nicht mehr.
Auch wenn man mit der Lampe näher an die Zinkplatte heranging und somit die Bestrahlungsintensität erhöhte, fand keine Entladung statt.

Dieser dritte Teilversuch widersprach nun jedoch der Theorie von der Welle, denn bei einer höheren Lichtintensität ist die Amplitude der Welle größer und somit müssten nun trotz der Lichtscheibe Elektronen gelöst werden.

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Der Photoelektrische Effekt

Aus den Hallwachs Versuchen geht der photoelektrische Effekt hervor.

Photoeffekt [...] bezeichnet allgemein die Auslösung von Elektronen (sog. Photoelektronen) aus Metalloberflächen, die mit Licht bestrahlt werden. [...] Generell findet die Elektronenemission erst dann statt, wenn die Frequenz der elektromagnetischen Strahlung eine für jedes Metall charakteristische Grenzfrequenz überschreitet.
spektrum.de

Geschichte des photoelektrischen Effekts

Entdeckt wurde dieser bereits 1886 von Heinrich Hertz, der diesem Phänomen jedoch kaum Beachtung schenkte.

1888 wurde der Effekt erstmals genauer untersucht, in eben diesen Hallwachs Versuchen, die oben beschrieben sind.

Den Nobelpreis 1906 erhielt Joseph J. Thomson für die Entdeckung aus dem Jahre 1899, dass die emittierten Ladungsträger beim Photoeffekt Elektronen sind.

Ein Jahr vor Thomson erhielt bereits Philipp von Lenard den Nobelpreis für seine Experimente aus dem Jahr 1902, bei denen er "Elektronenemission an verschiedenen bestrahlten Oberflächen nachweisen" (Peinhart Vanessa et al, Der Photoelektrische Effekt) konnte.

Fortgeführt wird diese Geschichte von Max Planck und Albert Einstein aus deren Erkenntnissen die Quantentheorie entstanden ist.

Unterscheidung in den inneren und äußeren Photoeffekt

Der innere Photoeffekt

Beim inneren Photoeffekt liegt die Frequenz des Lichts unterhalb der Grenzfrequenz. Dabei wird das Elektron nicht aus der Atomhülle "geschlagen", sondern das Atom nur angeregt.
Passiert dies in einem Leitungsband führt der innere Photoeffekt zu einem Stromfluss. (vgl. Peinhart Vanessa et al, Der Photoelektrische Effekt)

Der äußere Photoeffekt

Sobald die Frequenz des Lichtes über der Grenzfrequenz liegt und so das Elektron aus der Atomhülle "geschlagen" wird, spricht man vom äußeren Photoeffekt. (vgl. spektrum.de, Photoeffekt)

Bedeutung des photoelektrischen Effekts

Der photoelektrische Effekt hat die Antwort auf die Frage "Was ist Licht?" maßgeblich geprägt. Er widersprach der Theorie, dass Licht nur eine Welle sei und hob den Teilchencharakter hervor.
Dieser Teilchencharakter spiegelt sich bis heute im Photon wieder.

Auch hat der Photoeffekt bis heute eine große Bedeutung, welche vielleicht jetzt noch größer wird. Denn der Photoeffekt wird bei der Solarzelle genutzt, um aus dem Sonnenlicht Strom zu gewinnen.
Eine weitere Anwendung ist der Belichtungsmesser bei Kameras.
Hinzu kommt eine medizinische Verwendung bei der Babygelbsucht, die man mit dem Photoeffekt heilen kann. (vgl. Mohler Maren, Der Photoeffekt)

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Auch wenn der Photoeffekt jetzt hoffentlich verständlich geworden ist, die Einstiegsfrage ist nicht beantwortet und lässt sich nicht so einfach beantworten.
Die weitere Forschung ist übergegangen Quantenobjekte zu erforschen, wie auch Licht eins ist. Die Quantentheorie meint kurz zusammengefasst, das alles sowohl Teilchen als auch Welle ist.
Und somit möchte ich auch mit der selben Frage den Artikel beschließen:
Was ist Licht ?

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^{Literaturverzeichnis:}

^{Abi-Physik: Elektroskop, unter: http://www.abi-physik.de/buch/das-elektrische-feld/elektroskop/ [abgerufen am: 03.04.2018]}

^{LEIFI Physik: Versuche von Hallwachs, in: Quantenobjekt Photon, unter: https://www.leifiphysik.de/quantenphysik/quantenobjekt-photon/versuche/versuche-von-hallwachs [abgerufen am: 03.04.2018]}

^{Mohler Maren: Der Photoeffekt, in: Universität Göttingen, unter: https://lp.uni-goettingen.de/get/text/1556 [abgerufen am: 03.04.2018]}

^{Peinhart Vanessa, Strohmaier Robert, Berger Arnold, Deisl Andreas, Hasenleithner Dieter, Krenn Roland: Der Photoelektrische Effekt, in: Universität Graz, unter: http://physik.uni-graz.at/~cbl/QM/contents/Projekte_2004/p1/G7_Photoeffekt.pdf [abgerufen am: 03.04.2018]}

^{spektrum.de: Photoeffekt, unter: https://www.spektrum.de/lexikon/physik/photoeffekt/11182 [abgerufen am: 03.04.2018]}

^{Bildquellenverzeichnis:}

^{Abb. 1, Foto: Lampe, aus: Pixabay (2018), unter: https://pixabay.com/de/lampe-birne-beleuchtung-licht-3121677/ [abgerufen am: 03.04.2018]}

^{Abb. 2, Foto: Äußerer photoelektrischer Effekt (Hallwachs-Effekt), aus: Serlo Physik, unter: https://de.serlo.org/52504/aeusserer-photoelektrischer-effekt-hallwachs-effekt [abgerufen am: 03.04.2018]}

^{Abb. 3, Foto: Sonderbriefmarke „Lichtelektrischer Effekt“ in Einsteins 100. Geburtsjahr., aus: Briefmarken-Jahrgang 1979 der Deutschen Bundespost, unter: https://de.wikipedia.org/wiki/Photoelektrischer_Effekt [abgerufen am: 03.04.2018]}