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Definition und Erklärung des photoelektrischen Effekts

Der photoelektrische Effekt tritt auf, wenn Materie bei Einwirkung elektromagnetischer Strahlung, wie z. B. Lichtphotonen, Elektronen emittiert. Hier sehen Sie genauer, was der photoelektrische Effekt ist und wie er funktioniert.

 

Übersicht über den photoelektrischen Effekt

Der photoelektrische Effekt wird teilweise untersucht, weil er eine Einführung in die Welle-Teilchen-Dualität und die Quantenmechanik sein kann.

Wenn eine Oberfläche ausreichend energetischer elektromagnetischer Energie ausgesetzt ist, wird Licht absorbiert und Elektronen emittiert. Die Schwellenfrequenz ist für verschiedene Materialien unterschiedlich. Es ist sichtbares Licht für Alkalimetalle, nahezu ultraviolettes Licht für andere Metalle und extrem ultraviolette Strahlung für Nichtmetalle. Der photoelektrische Effekt tritt bei Photonen mit Energien von wenigen Elektronenvolt bis über 1 MeV auf. Bei den hohen Photonenenergien, die mit der Elektronenruhenergie von 511 keV vergleichbar sind, kann eine Compton-Streuung auftreten. Bei Energien über 1,022 MeV kann eine Paarbildung stattfinden.

Einstein schlug vor, dass Licht aus Quanten besteht, die wir Photonen nennen. Er schlug vor, dass die Energie in jedem Lichtquant gleich der Frequenz ist, die mit einer Konstanten (Planckschen Konstante) multipliziert wird, und dass ein Photon mit einer Frequenz über einer bestimmten Schwelle genügend Energie haben würde, um ein einzelnes Elektron auszustoßen, wodurch der photoelektrische Effekt erzeugt wird. Es stellt sich heraus, dass Licht nicht quantisiert werden muss, um den photoelektrischen Effekt zu erklären, aber einige Lehrbücher sagen weiterhin, dass der photoelektrische Effekt die Partikelnatur des Lichts demonstriert.

 

Einsteins Gleichungen für den photoelektrischen Effekt

Einsteins Interpretation des photoelektrischen Effekts führt zu Gleichungen, die für sichtbares und ultraviolettes Licht gelten :

Photonenenergie=Energie, die benötigt wird, um ein Elektron + kinetische Energie des emittierten Elektrons zu entfernen

hν=W + E.

Dabei ist
h die Plancksche Konstante.
ν ist die Frequenz des einfallenden Photons.
W ist die Austrittsarbeit. Dies ist die minimale Energie, die erforderlich ist, um ein Elektron von der Oberfläche eines bestimmten Metalls zu entfernen. hν 0
E ist die maximale kinetische Energie der ausgestoßenen Elektronen: 1 / 2 mv 2
ν 0 ist die Schwellenfrequenz für den photoelektrischen Effekt
m ist die Ruhemasse des ausgestoßenen Elektrons
v ist die Geschwindigkeit des ausgestoßenen Elektrons

Es wird kein Elektron emittiert, wenn die Energie des einfallenden Photons geringer als die Austrittsarbeit ist.

Unter Anwendung von Einsteins spezieller Relativitätstheorie ist die Beziehung zwischen Energie (E) und Impuls (p) eines Teilchens

E=[(pc) 2 + (mc 2 ) 2 ] (1/2)

Dabei ist m die Restmasse des Partikels und c die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum.

 

Hauptmerkmale des photoelektrischen Effekts

  • Die Geschwindigkeit, mit der Photoelektronen ausgestoßen werden, ist für eine gegebene Frequenz der einfallenden Strahlung und des Metalls direkt proportional zur Intensität des einfallenden Lichts.
  • Die Zeit zwischen dem Einfall und der Emission eines Photoelektron ist sehr gering und beträgt weniger als 10–9 Sekunden.
  • Für ein bestimmtes Metall gibt es eine Mindestfrequenz einfallender Strahlung, unterhalb derer der photoelektrische Effekt nicht auftritt, sodass keine Photoelektronen emittiert werden können (Schwellenfrequenz).
  • Oberhalb der Schwellenfrequenz hängt die maximale kinetische Energie des emittierten Photoelektron von der Frequenz der einfallenden Strahlung ab, ist jedoch unabhängig von ihrer Intensität.
  • Wenn das einfallende Licht linear polarisiert ist, erreicht die Richtungsverteilung der emittierten Elektronen einen Spitzenwert in Polarisationsrichtung (Richtung des elektrischen Feldes).

 

Vergleich des photoelektrischen Effekts mit anderen Wechselwirkungen

Wenn Licht und Materie interagieren, sind abhängig von der Energie der einfallenden Strahlung mehrere Prozesse möglich. Der photoelektrische Effekt resultiert aus energiearmem Licht. Mittlere Energie kann Thomson-Streuung und Compton-Streuung erzeugen . Hochenergetisches Licht kann eine Paarproduktion verursachen.

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