Fotoeffekt

Um es vorwegzunehmen: Beim Fotoeffekt handelt es sich nicht um einen besonderes Vorkommnis bei der Handhabung einer Kamera. Um den Fotoeffekt verstehen zu können, muss man sich zunächst ein paar Gedanken über den Aufbau des Atoms machen. Ein Atom besteht aus einem Atomkern, der positiv geladen ist. Dieser setzt sich aus Protonen und Neutronen (Neutronen sind neutral, Protonen positiv) zusammen. Diese Kernbestandteile nennt man sehr treffend auch Nukleonen. Der Kern ist umgeben von einer geladenen Hülle, die aus, etwas salopp gesagt, umherschwirrenden (negativen) Elektronen besteht. Die Gesamtladung des Atoms, Kern + Hülke addiert sich zu Null. Da sich nicht nur in der Physik Gegensätze anziehen, müssten die Elektronen in den Kern stürzen. Das tun sie jedoch Gott sei Dank nicht, weil sie sich in ständiger Bewegung um den Kern befinden. Somit sorgt das Gleichgewicht zwischen elektrischer- und Zentrifugal-Kraft für eine stabile Bahn. Elektronen können auf unterschiedlichste Weise aus dem Atom entfernt werden. Krachen z.B. zwei Atome zusammen, können einige Elektronen aus der Hülle herausgeschlagen werden. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, für die Ablösung des Elektrons aus dem Atom die Energie des Lichtes zu nutzen. Diesen Prozess der gewaltsamen Entfernung des Elektrons nennt man Fotoeffekt. Nun gab es wegen dieses Effektes lange Zeit ein unlösbares Problem. Man erartete, dass sich die Energie des Lichtes, sofern sie von einem Elektron aus dem Atom absorbiert würde, aufteilen müsste in einen Anteil, der benötigt wird um das Elektron aus der Hülle zu entfernen (Bindungsenergie oder Austrittsarbeit) und einen Rest, den das Elektron als kinetische Energie (Bewegungsenergie) mitnimmt. So weit stimmt auch alles. Nun müsste nach normalen Menschenverstand und nach der klassischen Lichttheorie die Energie des Lichtes von seiner Intensität abhängen, also je heller desto energiereicher. Demnach sollte die kinetische Energie des Elektrons von der Intensität des Lichtes abhängen. Falsch. Man stellte merkwürdiger Weise fest, dass die kinetische Energie der durch Fotoeffekt aus dem Atom entfernten Elektronen nur von der Frequenz, also Farbe, des Lichtes abhängt und die Anzahl der herausgelösten Elektronen von der Licht-Intensität. Ab einer bestimmten Lichtfrequenz kann man sogar überhaupt keine Elektronen aus dem Atom entfernen, egal wie intensiv das Licht ist, mit dem man das Atom bestrahlt. Wie konnte man diese standhafte Weigerung der Loslösung der Elektronen erklären? Einstein löste das Problem, in dem er auf die revolutionäre Idee Plancks zurückgriff, wonach Licht als Energiepaket (Photon) aufgefasst werden kann, dessen Energiemenge durch die Gleichung

E = hf

bestimmt wird, also nur von der Frequenz f des Lichtes (je mehr man in den violetten Bereich des Lichtspektrums geht, desto größer die Frequenz des Lichtes). Diese Gleichung steht dem berühmten E = mc2 in nichts nach. Das Plancksche Wirkungsquantum hat den verschwindend kleinen Wert von ca. h = 6,610-34 Js. Nun war es Einstein (1905) ein leichtes, die Energiebilanz des Fotoeffektes aufzuschreiben. Selbst für Abiturienten ist es schon fast zu einfach, diese Frage in einer Klausur zu beantworten. Die Energie, die man irgendwo hineinsteckt (in unserem Fall die des Photons, nämlich E=hf) muss nach dem Energieerhaltungs-Satz auch wieder herauskommen. Also teilt sich E=hf in einen Anteil auf, der benötigt wird, um das Elektron aus dem Atom zu lösen (Austrittsarbeit EA) und einen Rest, den das Elektron als kinetische Energie EK = 1/2mv2 mitnimmt, also

hf = EA + EK       (Einstein-Gleichung)

Ein Rätsel im Zusammenhang mit dem Fotoeffekt wurde jedoch bis heute nicht gelöst, nämlich warum Einstein "nur" für die Klärung dieses Effektes 1921 den Nobelpreis bekam und nicht für die weitaus bedeutungsvollere revolutionäre Relativitätstheorie. Dies ist wohl nur mit dem schmalen Geist der Verantwortlichen Köpfe im Nobelpreis-Kommitee zu erklären.