Photoelektrischer Effekt
19. JahrhundertBearbeiten
Im Jahr 1839 entdeckte Alexandre Edmond Becquerel den photovoltaischen Effekt, als er die Wirkung von Licht auf elektrolytische Zellen untersuchte. Seine Arbeiten über die Photovoltaik sind zwar nicht mit dem photoelektrischen Effekt gleichzusetzen, haben aber wesentlich dazu beigetragen, eine enge Beziehung zwischen Licht und elektronischen Eigenschaften von Materialien aufzuzeigen. 1873 entdeckte Willoughby Smith die Photoleitfähigkeit von Selen, als er das Metall im Zusammenhang mit seiner Arbeit an unterseeischen Telegrafenkabeln auf seine hohen Widerstandseigenschaften hin testete.
Johann Elster (1854-1920) und Hans Geitel (1855-1923), Studenten in Heidelberg, untersuchten die Auswirkungen von Licht auf elektrifizierte Körper und entwickelten die ersten praktischen photoelektrischen Zellen, mit denen die Lichtintensität gemessen werden konnte.:458 Sie ordneten die Metalle nach ihrer Fähigkeit, negative Elektrizität zu entladen: Rubidium, Kalium, Kalium-Natrium-Legierungen, Natrium, Lithium, Magnesium, Thallium und Zink; bei Kupfer, Platin, Blei, Eisen, Cadmium, Kohlenstoff und Quecksilber waren die Effekte mit gewöhnlichem Licht zu gering, um messbar zu sein. Die Reihenfolge der Metalle für diesen Effekt war die gleiche wie in Voltas Reihe für die Kontaktelektrizität, wobei die elektropositivsten Metalle den größten photoelektrischen Effekt ergaben.
Im Jahr 1887 beobachtete Heinrich Hertz den photoelektrischen Effekt und berichtete über die Erzeugung und den Empfang von elektromagnetischen Wellen. Der Empfänger in seinem Apparat bestand aus einer Spule mit einer Funkenstrecke, in der bei der Detektion von elektromagnetischen Wellen ein Funke zu sehen war. Er stellte den Apparat in einen abgedunkelten Kasten, um den Funken besser sehen zu können. Er stellte jedoch fest, dass sich die maximale Funkenlänge im Inneren des Kastens verringerte. Eine Glasplatte zwischen der Quelle der elektromagnetischen Wellen und dem Empfänger absorbierte ultraviolette Strahlung, die die Elektronen beim Überspringen des Spalts unterstützte. Wurde sie entfernt, vergrößerte sich die Funkenlänge. Er beobachtete keine Abnahme der Funkenlänge, als er das Glas durch Quarz ersetzte, da Quarz keine UV-Strahlung absorbiert.
Die Entdeckungen von Hertz führten zu einer Reihe von Untersuchungen von Hallwachs, Hoor, Righi und Stoletov über die Wirkung von Licht, insbesondere von ultraviolettem Licht, auf geladene Körper. Hallwachs schloss eine Zinkplatte an ein Elektroskop an. Er ließ ultraviolettes Licht auf eine frisch gereinigte Zinkplatte fallen und beobachtete, dass die Zinkplatte ungeladen wurde, wenn sie zunächst negativ geladen war, positiv geladen wurde, wenn sie zunächst ungeladen war, und stärker positiv geladen wurde, wenn sie zunächst positiv geladen war. Aus diesen Beobachtungen schloss er, dass einige negativ geladene Teilchen von der Zinkplatte abgestrahlt wurden, wenn sie ultraviolettem Licht ausgesetzt wurde.
Beim Hertz-Effekt zeigten die Forscher von Anfang an die Komplexität des Phänomens der photoelektrischen Ermüdung, d.h. der allmählichen Abnahme des Effekts, der bei frischen Metalloberflächen beobachtet wird. Hallwachs zufolge spielte Ozon eine wichtige Rolle bei diesem Phänomen, und die Emission wurde durch Oxidation, Feuchtigkeit und den Grad der Politur der Oberfläche beeinflusst. Damals war unklar, ob es im Vakuum keine Ermüdung gibt.
In der Zeit von 1888 bis 1891 wurde eine detaillierte Analyse des Photoeffekts von Aleksandr Stoletov durchgeführt, dessen Ergebnisse in sechs Publikationen veröffentlicht wurden. Stoletov erfand einen neuen Versuchsaufbau, der für eine quantitative Analyse des Photoeffekts besser geeignet war. Er entdeckte eine direkte Proportionalität zwischen der Lichtintensität und dem induzierten photoelektrischen Strom (das erste Gesetz des Photoeffekts oder das Stoletovsche Gesetz). Er maß die Abhängigkeit der Intensität des photoelektrischen Stroms vom Gasdruck und stellte fest, dass es einen optimalen Gasdruck gibt, der einem maximalen Photostrom entspricht; diese Eigenschaft wurde für die Entwicklung von Solarzellen genutzt.
Neben Metallen entladen viele andere Stoffe unter der Einwirkung von ultraviolettem Licht negative Elektrizität. G. C. Schmidt und O. Knoblauch stellten eine Liste dieser Stoffe zusammen.
Im Jahr 1899 untersuchte J. J. Thomson ultraviolettes Licht in Crookes-Röhren. Thomson schlussfolgerte, dass die ausgestoßenen Teilchen, die er Korpuskeln nannte, von der gleichen Art wie Kathodenstrahlen waren. Diese Teilchen wurden später als Elektronen bekannt. Thomson schloss eine Metallplatte (eine Kathode) in eine Vakuumröhre ein und setzte sie einer Hochfrequenzstrahlung aus. Man nahm an, dass die oszillierenden elektromagnetischen Felder das Feld der Atome zum Schwingen brachten und nach Erreichen einer bestimmten Amplitude die Emission eines subatomaren Teilchens und den Nachweis von Strom bewirkten. Die Menge dieses Stroms variierte mit der Intensität und der Farbe der Strahlung. Eine höhere Strahlungsintensität oder -frequenz erzeugte mehr Strom.
In den Jahren 1886-1902 untersuchten Wilhelm Hallwachs und Philipp Lenard das Phänomen der photoelektrischen Emission im Detail. Lenard beobachtete, dass durch eine evakuierte Glasröhre, die zwei Elektroden umschließt, ein Strom fließt, wenn ultraviolette Strahlung auf eine der beiden Elektroden fällt. Sobald die ultraviolette Strahlung unterbrochen wird, hört auch der Strom auf. Dies begründete das Konzept der photoelektrischen Emission. Die Entdeckung der Ionisierung von Gasen durch ultraviolettes Licht wurde von Philipp Lenard im Jahr 1900 gemacht. Da der Effekt über mehrere Zentimeter Luft hinweg auftrat und eine größere Anzahl positiver als negativer Ionen ergab, lag es nahe, das Phänomen wie J. J. Thomson als Hertz’schen Effekt auf die im Gas vorhandenen Teilchen zu interpretieren.
20. JahrhundertBearbeiten
Im Jahr 1902 beobachtete Lenard, dass die Energie einzelner emittierter Elektronen mit der Frequenz (die mit der Farbe zusammenhängt) des Lichts zunahm. Dies schien im Widerspruch zu Maxwells Wellentheorie des Lichts zu stehen, die voraussagte, dass die Elektronenenergie proportional zur Intensität der Strahlung sei.
Lenard beobachtete die Veränderung der Elektronenenergie mit der Lichtfrequenz unter Verwendung einer leistungsstarken elektrischen Bogenlampe, die es ihm ermöglichte, große Veränderungen der Intensität zu untersuchen, und die über genügend Leistung verfügte, um die Veränderung des Elektrodenpotentials mit der Lichtfrequenz zu untersuchen. Er fand die Elektronenenergie, indem er sie mit dem maximalen Stopp-Potential (Spannung) in einer Photoröhre in Beziehung setzte. Er stellte fest, dass die maximale kinetische Energie der Elektronen von der Frequenz des Lichts abhängt. So führt beispielsweise eine Erhöhung der Frequenz zu einem Anstieg der maximalen kinetischen Energie, die für ein Elektron bei der Freisetzung berechnet wird – ultraviolette Strahlung würde ein höheres Stopppotenzial erfordern, um den Strom in einer Photoröhre anzuhalten, als blaues Licht. Lenards Ergebnisse waren jedoch eher qualitativer als quantitativer Natur, was auf die Schwierigkeiten bei der Durchführung der Experimente zurückzuführen war: Die Experimente mussten an frisch geschnittenem Metall durchgeführt werden, damit das reine Metall beobachtet werden konnte, das jedoch selbst in dem von ihm verwendeten Teilvakuum in wenigen Minuten oxidierte. Der von der Oberfläche abgegebene Strom wurde durch die Intensität oder Helligkeit des Lichts bestimmt: eine Verdoppelung der Lichtintensität verdoppelte die Anzahl der von der Oberfläche abgegebenen Elektronen.
Die Forschungen von Langevin und Eugene Bloch haben gezeigt, dass der größte Teil des Lenard-Effekts sicherlich auf den Hertz-Effekt zurückzuführen ist. Der Lenard-Effekt auf das Gas selbst ist jedoch vorhanden. Die von J. J. Thomson und später maßgeblich von Frederic Palmer, Jr. wiederentdeckte Photoemission von Gasen wurde untersucht und zeigte ganz andere Eigenschaften als die, die ihr zunächst von Lenard zugeschrieben wurden.
Im Jahr 1900 schlug der deutsche Physiker Max Planck bei der Untersuchung der Schwarzkörperstrahlung in seiner Arbeit „Über das Gesetz der Verteilung der Energie im Normalen Spektrum“ vor, dass die von elektromagnetischen Wellen getragene Energie nur in Energiepaketen freigesetzt werden kann. Im Jahr 1905 veröffentlichte Albert Einstein eine Arbeit, in der er die Hypothese aufstellte, dass Lichtenergie in diskreten, quantisierten Paketen übertragen wird, um die experimentellen Daten des photoelektrischen Effekts zu erklären. Einstein stellte die Theorie auf, dass die Energie in jedem Lichtquant gleich der Frequenz des Lichts multipliziert mit einer Konstante ist, die später als Plancksche Konstante bezeichnet wurde. Ein Photon oberhalb einer Schwellenfrequenz hat die nötige Energie, um ein einzelnes Elektron auszustoßen, wodurch der beobachtete Effekt entsteht. Dies war ein wichtiger Schritt in der Entwicklung der Quantenmechanik. Im Jahr 1914 bestätigte Millikans Experiment Einsteins Modell des photoelektrischen Effekts. Einstein erhielt 1921 den Nobelpreis für Physik für „seine Entdeckung des Gesetzes des photoelektrischen Effekts“, und Robert Millikan erhielt 1923 den Nobelpreis für „seine Arbeiten über die Elementarladung der Elektrizität und über den photoelektrischen Effekt“. In der Quantenstörungstheorie von Atomen und Festkörpern, auf die elektromagnetische Strahlung einwirkt, wird der photoelektrische Effekt immer noch üblicherweise in Form von Wellen analysiert; die beiden Ansätze sind gleichwertig, da die Absorption von Photonen oder Wellen nur zwischen quantisierten Energieniveaus stattfinden kann, deren Energiedifferenz der Energie des Photons entspricht.
Albert Einsteins mathematische Beschreibung, wie der photoelektrische Effekt durch Absorption von Lichtquanten zustande kommt, findet sich in einem seiner Annus Mirabilis Papiere mit dem Titel „On a Heuristic Viewpoint Concerning the Production and Transformation of Light“. Das Papier schlug eine einfache Beschreibung von Lichtquanten oder Photonen vor und zeigte, wie sie Phänomene wie den photoelektrischen Effekt erklären. Seine einfache Erklärung der Absorption von diskreten Lichtquanten stimmte mit den experimentellen Ergebnissen überein. Sie erklärte, warum die Energie der Photoelektronen nur von der Frequenz des einfallenden Lichts und nicht von dessen Intensität abhing: Bei niedriger Intensität konnte die Hochfrequenzquelle einige wenige hochenergetische Photonen liefern, während bei hoher Intensität die Niederfrequenzquelle keine Photonen mit ausreichender individueller Energie lieferte, um Elektronen zu lösen. Dies war ein enormer theoretischer Sprung, aber das Konzept stieß zunächst auf heftigen Widerstand, weil es der Wellentheorie des Lichts widersprach, die sich aus den Gleichungen des Elektromagnetismus von James Clerk Maxwell ergab, und generell der Annahme der unendlichen Teilbarkeit von Energie in physikalischen Systemen. Selbst nachdem Experimente gezeigt hatten, dass Einsteins Gleichungen für den photoelektrischen Effekt korrekt waren, hielt der Widerstand gegen die Vorstellung von Photonen an.
Einsteins Arbeit sagte voraus, dass die Energie einzelner ausgestoßener Elektronen linear mit der Frequenz des Lichts zunimmt. Es mag überraschen, dass die genaue Beziehung zu diesem Zeitpunkt noch nicht getestet worden war. Bis 1905 war bekannt, dass die Energie der Photoelektronen mit zunehmender Frequenz des einfallenden Lichts zunimmt und unabhängig von der Lichtintensität ist. Die Art des Anstiegs wurde jedoch erst 1914 experimentell bestimmt, als Robert Andrews Millikan zeigte, dass Einsteins Vorhersage richtig war.
Der photoelektrische Effekt trug dazu bei, das damals aufkommende Konzept des Welle-Teilchen-Dualismus in der Natur des Lichts voranzutreiben. Licht besitzt gleichzeitig die Eigenschaften von Wellen und Teilchen, wobei sich beide je nach den Umständen manifestieren. Der Effekt war mit der klassischen Wellenbeschreibung des Lichts nicht zu verstehen, da die Energie der emittierten Elektronen nicht von der Intensität der einfallenden Strahlung abhing. Die klassische Theorie sagte voraus, dass die Elektronen über einen bestimmten Zeitraum Energie „sammeln“ und dann emittiert werden.