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Photoemission

Physik

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Basiswissen｜ Grundaufbau des Versuchs｜ Beobachtete Effekte｜ Philosophische Bedeutung｜ Fußnoten


Basiswissen


Die Photoemission, auch äußerer photoelektrischer Effekt genannt, bezeichnet das Herauslösen von Elektronen aus Metalloberflächen durch Licht: wenn in der Schulphysik die Rede vom (äußeren) photoelektrischen Effekt ist, dann ist damit meist die Photoemission gemeint. Der Effekt der Photoemission gilt als Beleg für die Teilchennatur des Lichts[9]. Er kann nicht in der Wellenvorstellung erklärt werden.

Grundaufbau des Versuchs


Wenn man eine Metalloberfläche mit Licht (auch unsichtbarem) bestrahlt, so kann man mit Hilfe einer geeigneten Versuchsanordnung feststellen, dass sich Elektronen aus dem Metall lösen und mit einer gewissen Geschwindigkeit vom Metall wegfliegen. Man macht dabei folgende Beobachtungen.

Beobachtete Effekte


Die kinetische Energie der aus der Photokathode austretenden Elektronen hängt nicht von der Bestrahlungsstärke, sondern von der Spektralfarbe des Lichtes ab[10], also von dessen Wellenlänge Lambda beziehungsweise Frequenz f.

  • Die kinetische Energie dieser Photoelektronen steigt, beginnend bei einer Minimalfrequenz, linear mit der Frequenz des Lichtes an.
  • Die Maximalwellenlänge beziehungsweise Minimalfrequenz, bei der gerade noch Elektronen austreten, hängt vom Material der Kathodenoberfläche ab.
  • Die Freisetzung der Elektronen beginnt wenige Nanosekunden nach Einfall des Lichtes und endet genauso schnell nach dem Ende der Bestrahlung.
  • Der Photostrom der Elektronen ist proportional zum Strahlungsfluss, wenn durch eine ausreichend positive Anode alle emittierten Elektronen aufgefangen werden.[8][10]

Bis auf die letzte Beobachtung stehen alle gefundenen Zusammenhänge im Widerspruch zur klassischen Vorstellung von Licht als Wellenerscheinung. Nach dieser hängt die Energie einer Welle allein von ihrer Amplitude, nicht jedoch von ihrer Frequenz ab. Somit müsste mit sinkender Bestrahlungsstärke auch die kinetische Energie der Elektronen abnehmen. Der Effekt sollte dann verzögert auftreten, da die Übertragung der zur Freisetzung der Elektronen nötigen Energie dann länger dauert. Statt einer Minimalfrequenz wäre nach klassischer Vorstellung zu erwarten, dass mit sinkender Frequenz lediglich die Zeit, bis ein Elektron genügend Lichtenergie aufgesammelt hat, zunimmt. Die Photoemission gilt als ein Beleg für den Teilchencharakter des Lichts. Siehe auch Lichtteilchen ↗

Philosophische Bedeutung


Die Photoemession, auch äußerer photoelektrischer Effekt genannt, wurde schon früh so gedeutet, dass die Energie der gedachten Wellen des Lichts doch in einem einzigen engen Raumbereich konzentriert sind:

ZITAT:

Paul Painleve, 1927: "Es ist die Untersuchung des photoelektrischen Effekts, der Herauslösung von Elektronen aus der Materie durch Licht, die uns zunächst, wie Einstein gezeigt hat, gezwungen hat, anzunehmen, dass in einer Lichtwelle, die von einem einzigen Atom emittiert wird, die gesamte Energie in einem kleinen immateriellen Projektil konzentriert ist, dem man den Namen Photon gegeben hat. So wäre das Licht nicht rein wellenförmig, es wäre gleichzeitig korpuskular. Versöhnung von Fresnel und Newton! Und in diesen Konflikten zwischen Licht und Materie zeigen die glänzenden Entdeckungen von C. T. R. Wilson und H. A. Compton, dass der Stoß eines Photons gegen ein Elektron noch den grundlegenden Gesetzen der klassischen Mechanik (Erhaltung der Energie und des Impulses) gehorcht."[11]

Wie widersinnig, wie entgegen unserem Alltagsverständnis, wie sich die Dinge vernünftigt zu verhalten haben, ganz entgegen jedem gesunden Menschenverstand das ist, macht ein Physiker aus Australien mit einem schönen Sinnbild aus seiner Heimat deutlich.

ZITAT:

David Jamieson, 2020: "Stell dir vor, du surfst und du siehst diese Welle kommen und da sind noch andere Surfer, die auf die Welle warten. Einsteins Idee zufolge kann nur ein Surfer die Welle kriegen.[12] Die anderen zwei Surfer links und rechts hängen dann nur im flachen Wasser rum, nur der Surfer in der Mitte erwischt die ganze Energie. Die Welle, oder die Funktion, die sie beschreibt, kollabiert auf eine gewisse Weise wenn sie wechselwirken (interact) muss. Dies ist ein zentrales Mysterium der Quantenphysik."[13]

Die Photoemession ist liefert damit einen Belegt für die Teilchennatur des Lichts, zumindest aber seiner stets lokal eng begrenzten Wirkung, wenn es denn zu messbaren Effekten kommt. Der größere Rahmen dieses Gedankens ist der Welle-Teilchen-Dualismus ↗

Fußnoten


  • [1] Heinrich Hertz: Ueber den Einfluss des ultravioletten Lichtes auf die electrische Entladung. Annalen der Physik 267 (8), 1887, S. 983–1000. doi:10.1002/andp.18872670827
  • [2] Wilhelm Hallwachs: Ueber die Electrisirung von Metallplatten durch Bestrahlung mit electrischem Licht. In: Annalen der Physik und Chemie. Band 270, 8A, 1888, S. 731–734, doi:10.1002/andp.18882700809. Der Artikel ist eine sehr detaillierte und gut nachvollziebare Beschreibung des Versuchsaufbaus und der Durchführung, jedoch ohne weitere Versuche einer Deutung. Online: https://zenodo.org/records/1423843
  • [3] Philipp Lenard: Erzeugung von Kathodenstrahlen durch ultraviolettes Licht. In: Annalen der Physik. Band 307, Nr. 6, 1900, S. 359–375, doi:10.1002/andp.19003070611.
  • [5] Dass die Photoemission zur Annahme von Licht als Teilchen drängt, schrieb Albert Einstein im Jahr 1905: "Es scheint mir nun in der Tat, daß die Beobachtungen über die 'schwarze Strahlung', Photoluminiszenz, die Erzeugung von Kathodenstrahlen durch ultraviolettes Licht und andere die Erzeugung bez. Verwandlung des Lichtes betreffende Erscheinungsgruppen besser verständlich erscheinen unter der Annahme, daß die Energie des Lichtes diskontinuierlich im Raume verteilt sei. Nach der hier ins Auge zu fassenden Annahme ist bei Ausbreitung eines von einem Punkte ausgehenden Lichtstrahles die Energie nicht kontinuierlich auf größer und größer werdenbde Räume verteilt, sondern es besteht dieselbe aus einer endlichen Zahl von in Raumpunkten lokalisierten Energiequanten, welche sich bewegen, ohne sich zu teilen und nur als Ganze absorbiert und erzeugt werden können." Albert Einstein: Ueber einen die Erzeugung und Verwandlung des Lichtes betreffenden heuristischen Gesichtspunkt. In: Annalen der Physik. Band 322, Nr. 6, 1905, S. 132–148. Dort die Seite 133. Online: http://myweb.rz.uni-augsburg.de/~eckern/adp/history/einstein-papers/1905_17_132-148.pdf
  • [6] Eine ausführliche Argumentation gibt Albert Einstein: Ueber einen die Erzeugung und Verwandlung des Lichtes betreffenden heuristischen Gesichtspunkt. In: Annalen der Physik. Band 322, Nr. 6, 1905, S. 132–148, doi:10.1002/andp.19053220607. Dort das Kapitel 8 Über die Erzeugung von Kathodenstrahlen durch Belichtung fester Körper. Seite 145 ff. Dort heißt es zum Beispiel: "Die übliche Auffassung, daß die Energie des Lichtes kontinuierlich über den durchstrahlten Raum verteilt sei, findet bei dem Versuch, die lichtelektrischen Erscheinungen zu erklären, besonders große Schwierigkeiten, welche in einer bahnbrechenden Arbeit von Hern. Lenard dargelegt sind." Online: http://myweb.rz.uni-augsburg.de/~eckern/adp/history/einstein-papers/1905_17_132-148.pdf
  • [8] "Wenn jedes Energiequant des erregenden Lichtes unabhängig von allen übrigen seine Energie an Elektronen abgibt, so wird die Geschwindigkeitsverteilung der Elektronen, d. h. die Qualität der erzeugten Kathodenstrahlung von der Intensität des erregenden Lichtes unabhängig sein; andererseits wird die Anzahl der den Körper verlassenden Elektronen der Intensität des erregenden Lichtes unter sonst gleichen Umständen proportional sein." Sowie als wichtige Annahme noch einmal betont: "Im vorstehenden ist angenommen, daß die Energie wenigstens eines Teiles der Energiequanten des erzeugenden Lichtes je an ein einziges Elektron vollständig abgegeben werde." Doch manche Experimente legen nah: "Es ist anzunehmen, daß die kinetische Energie eines Elektrons zur Erzeugung viler Lichtquanten verwendet wird." Quelle: Albert Einstein: Ueber einen die Erzeugung und Verwandlung des Lichtes betreffenden heuristischen Gesichtspunkt. In: Annalen der Physik. Band 322, Nr. 6, 1905, S. 132–148, doi:10.1002/andp.19053220607. Dort die Seite 147. Online: http://myweb.rz.uni-augsburg.de/~eckern/adp/history/einstein-papers/1905_17_132-148.pdf
  • [9] Albert Einstein beschreibt die Photoemission in seiner Theorie von Licht als Energiequanten. Für die entsprechende Veröffentlichung aus dem Jahr 1905 erhielt er später den Nobelpreis: "In die oberflächliche Schicht des Körpers dringen Energiequanten ein, und deren Energie verwandelt sich wenigstens zum Teil in kinetische Energie von Elektronen. Die einfachste Vorstellung ist die, daß ein Lichtquant seine ganze Energie an ein einziges Elektron abgibt; wir wollen annehmen, daß dies vorkomme. Es soll jedoch nicht ausgeschlossen sein, daß Elektronen die Energie von Lichtquanten nur teilweise aufnehmen. Ein im Innern des Körpers mit mit kinetischer Energie versehenes Elektron wird, wenn es die Oberfläche erreicht hat, einen Teil seiner kinetischen Energie eingebüßt haben. Außerdem wird anzunehmen sein, daß jedes Elektron beim Verlassen des Körpers eine (für den Körper charakteristische) Arbeit P zu leisten hat, wenn es den Körper verlässt. Mit der größten Normalgeschwindigkeit werden die unmittelbar an der Oberfläche normal zu dieser erregten Elektronen den Körper verlassen" In: Albert Einstein: Über einen die Erzeugung und Verwandlung des Lichtes betreffenden heuristischen Gesichtspunkt. In: Annalen der Physik. Band 322, Nr. 6, 1905, S. 132–148, doi:10.1002/andp.19053220607. Dort die Seite 13r3. Online: http://myweb.rz.uni-augsburg.de/~eckern/adp/history/einstein-papers/1905_17_132-148.pdf
  • [10] Dass die kinetische Energie der ausgetretenen Elektronen nur von der Lichtfarbe abhängt formulierte Albert Einstein im Jahr 1905 im Sinne der damals neuen Quantentheorie: "Wenn jedes Energiequant des erregenden Lichtes unabhängig von allen übrigen seine Energie an Elektronen abgibt, so wird die Geschwindigkeitsveteilung der Elektronen, d. h. die Qualität der erzeugten Kathodenstrahlung von der Intensität des erregenden Lichtes unabhängig sein; andererseits wird die Anzahl der den Körper verlassenden Elektronen der Intensität des erregenden Lichtes unter sonst gleichen Umständen proportional sein" In: Albert Einstein: Über einen die Erzeugung und Verwandlung des Lichtes betreffenden heuristischen Gesichtspunkt. In: Annalen der Physik. Band 322, Nr. 6, 1905, S. 132–148, doi:10.1002/andp.19053220607. Dort die Seite 13r3. Online: http://myweb.rz.uni-augsburg.de/~eckern/adp/history/einstein-papers/1905_17_132-148.pdf
  • [11] Im französischen Original von 1927: "C'est l'étude de l'effet photo-électrique, arrachement d'électrons à la matière par la lumière, qui nous a d'abord obligés, comme l'a montré Einstein, à admettre que, dans une onde lumineuse émise par un seul atome, l'énergie est tout entière rassemblée dans un petit projectile immatériel auquel on a donné le nom de photon. Ainsi la lumière ne serait pas purement ondulatoire, elle serait en même temps corpusculaire. Réconciliation de Fresnel et de Newton ! Et dans ces conflits de la lumière et de la matière, les brillantes découvertes de C. T. R. Wilson et de H. A. Compton montrent que le choc d'un photon contre un électron obéit encore aux lois fondamentales de la mécanique classique (conservation de l'énergie et de la quantité de mouvement)." In: Paul Painlevé: Les conceptions modernes de la matière et la science classique. Discours prononcé à Londres, le 15 novembre 1927 devant la « Royal Institution of Great Britain. Eine kurze Zusammenfassung des Vortrages wurde 1927 in Nature veröffentlicht: [News and Views]. Nature 120, 777–781 (1927). Für eine volle Textversion siehe auch Materie und klassische Physik (Vortrag) ↗
  • [12] In der Sprache der Surfer nennt man das Aufstehen auf dem Brett "take-off": "Die Aufstehbewegung mit der ein Surfer auf die Füße kommt. Für den Take-off gibt es unterschiedliche Methoden." In: Glossar. Wave Culture. Stand 30. Juni 2025. Online: https://www.waveculture.de/surf-glossar
  • [13] Nach einer Vorführung des photoelektrischen Effekts auf einem Tisch macht der australische Physiker David Jamieson mit einem einfachen Sinnbild deutlich, was dieser Vorgang eigentlich für unsere Vorstellung von Wellen und Teilchen bedeutet: "Imagine you are surfing and you see this wave approaching and there is a whole bunch of surfes lined up ready to catch the wave. In Einsteins idea only one surfer can catch the wave. So it's like the other two surfers left and right are left flat in the water and just the surfer in the middle catches the entire wave. And so in some ways the wave, the function that describes the wave, collapses just to one point when it has to interact. This is a fundamental mystery of quantum mechanics." In: David Jamieson: Einstein's Revolution. Quantum computing in the 21st Century. Public Lecture at 17th ICNMTA (Virtual International Conference on Nuclear Microprobe Technology and Applications), Online via Zoom, 16 September 2020, 13:00 CET. Veröffentlichung auf Videolectures.net am 17 September 2020. URL: https://ideolectures.net.