Deutung - Lichtquantenhypothese


Einstein in Bern
Wie immer ist mit der richtigen Idee alles ganz einfach. Hier kommt sie von Albert Einstein. Einsteins Idee von 1905 war so revolutionär, dass sie einen neuen Zweig der Physik begründete und ihm den Nobelpreis einbrachte. Die Energie liegt im einfallenden Licht in Portionen vor, den Lichtquanten. Die Energie eines Lichtquants ist proportional zur Frequenz des einfallenden Lichtes W = h ⋅ f mit der Planckschen Konstanten h = 6,626⋅10-34Js. Die Lichtintensität ergibt sich zusätzlich aus der Anzahl der Lichtquanten, ähnlich wie bei der elektrischen Leistung, in die Spannung und Ladungsmenge eingehen.

Jedes Quant gibt seine gesamte Energie an ein Elektron ab. Das Elektron verlässt dann die Schicht und erreicht den Ring, der sich negativ auflädt oder die Glaswand. Mit zunehmender Ladung des Ringes müssen weitere Elektronen gegen ein elektrisches Feld (eine Spannung) anlaufen. Da sie aus dem Lichtquant aber nur eine begrenzte Energiemenge aufgenommen haben, wächst die Ladung des Ringes und damit die Spannung zwischen Anode und Kathode nicht mehr weiter an. Weitere Elektronen fallen zurück zu ihrem Ausgangspunkt.
Wenn man die Photozelle in einen Stromkreis einbaut und die Ladung des Ringes abfließen kann, wird auch die Lichtintensität wichtig: Je mehr Lichtquanten einfallen, desto mehr Elektronen werden freigesetzt und desto schneller kann die abgeflossene Ladung ersetzt werden. Die Stärke des sog. Photostromes nimmt zu.
Der im Diagramm zu erkennende Energieverlust entsteht dadurch, dass das Anodenmaterial Elektronen nicht einfach entlässt. Sie sind vielmehr an das Material der Schicht gebunden und müssen unter Energieaufwand freigesetzt werden. Das ist die Austrittsarbeit.

Alle Versuche, den Photoeffekt ohne Lichtquanten zu erklären, konnten nicht überzeugen. Die Idee der Energiequanten fing an zu überzeugen und sie wurde zuerst von Niels Bohr benutzt, um ein brauchbares Atommodell zu konstruieren.

Aufgabe 1: Die Austrittsarbeit von Cäsium beträgt 1,96eV. Das heißt, dass man 1,96eV braucht, um ein Elektron aus einer Cäsiumelektrode freizusetzen. Wir installieren 10cm vor einer Cäsiumphotozelle (wirksame Fläche 4cm2) eine 60W–Glühlampe. Wir nehmen der Einfachheit halber an, dass die Glühlampe 10% der eingesetzten elektrischen Energie in 'gelbe' Photonen umsetzt (λ = 550nm). Wie viele Photonen werden pro Sekunde erzeugt? Wie viele erreichen die Photozelle? Wie lange würde es nach der klassischen Vorstellung von Lichtwellen dauern, bis auf der Fläche eines Atoms (Radius etwa 2Â) genügend Energie eintrifft, um ein Elektron freizusetzen?