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Was ist der fotoelektrische Effekt?

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Physics

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Technische Universität Berlin - TU

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2+, Eckart, 2014

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Fotoeffekt


In einer Fotozelle befinden sich zwei Elektroden:

eine ringförmige Anode und eine großflächige Kathode. Diese Fotozelle wird mit einer Quecksilberdampflampe beleuchtet, das Licht trifft nun auf die Kathode. Durch die Einwirkung dieses Lichts werden hierbei Elektronen aus der Kathode in einer Vakuumröhre herausgelöst; sie werden an der Anode aufgefangen und dadurch registriert.

Beim Auslösen aus der Kathode erhalten die Elektonen nur eine bestimmte kinetische Energie.

Diese Energie wird dadurch vermittelt, indem die Elektronen gegen ein elektrisches Feld „anlaufen“: zwischen Anode und Kathode besteht die Gegenspannung U , die Elektronen werden auf dem Weg zur Anode „abgebremst“.

Durch Erhöhen der Gegenspannung sinkt die Stromstärke (logisch,da weniger Ladungsträger ankommen). Bei einem bestimmten Wert Umax wird die Stromstärke null.

Man hat dann die elektrische Feldstärke so großgemacht, dass die Geschwindigkeit oder die Kinetische Energie (Bewegunsenergie) nicht mehr ausreicht, um die hohe Potentialdifferenz zu überwinden.

Es hat sich herausgestellt, dass die kinetische Energie der herausgelösten Elektronen von der Wellenlänge bzw. der Frequenz des eingestrahlten Lichts abhängt.

Je kleiner also die Wellenlänge des Lichts, mit dem man die Kathode beschießt, desto größer ist auch die Kinetische Energie oder einfach nur die Geschwindigkeit der herausgelösten Elektronen (Fotoelektronen).


Zum Herauslösen von Elektronen aus einem bestimmten Kathodenmaterial ist eine bestimmte Energie erforderlich, die Austrittseinergie EA .

Diese wird jedoch nicht von einem Elektron aus dem eingestrahlten Licht „gesammelt“, sondern es kommt immer nur zu jeweils einer Wechselwirkung. Sprich, ein Elektron kann nur mit einem Photon herausgelöst werden.

Dabei übergibt genau ein Photon seine gesamte Energie an ein Elekton ab.

Erhöht man nun die Strahlungsintensität, könnte man vermuten, dass sich die kinetische Energie der herausgelösten Elektronen erhöht … dem ist nicht so ;)

Die Erhöhung der Strahlungsintensität bewirkt nur eine höhere Anzahl von Photonen, die auf die Kathode geschossen werden und somit auch die Anzahl der herausgelösten Fotoelektronen.

Folglich steigt die gemessene Stromstärke.


Jetzt wird’s noch mal kurz knifflig …


Die maximale Energie, die ein Elektron nach dem Auslösen aus der Kathode besitzen kann, ist die Differenz aus der Photonenenergie Ephot und der Austrittseinergie EA :


Emax = Ephot - EA .

Definition (aus dem Physikbuch):


Wenn aus einer Metalloberfläche durch Einstrahlung von Licht Elektronen austreten, ist ihre kinetische Energie (Bewegungsenergie) umso größer, je kürzer die Wellenlänge des Lichts ist.

Sie ist aber unabhängig von der Intensität des Lichts.


Der oben beschriebene Vorgang nennt sich äußerer Fotoeffekt.


Der sogenannte innere Fotoeffekt bezeichnet den Vorgang, dass Photonen von einem Material absobiert werden und somit Ladungsträger freigesetzt werden.

Dies führt u.a in Halbleitern zu einer Erhöhung der Leitfähigkeit.



Wichtige Gleichungen zu diesem Thema:


Energie von Photonen:


EPhot = h f


Maximale Energie von Photonen nach Herauslösen aus der Kathode:


Emax = Ephot - EA


Ich würde sagen, dass das erstmal genug Stoff ist ;)


Wenn du zu meinem ulkigen Text Fragen hast, dann nur zu.


Viel Spaß :)

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