Mit Solarzellen bedecktes Dach
(Foto privat)
Wie häufig in der Physik festzustellen, wurde der Photoeffekt mehr zufällig 1887 von Heinrich Hertz entdeckt: Er untersuchte Funkenstrecken und stellte fest, dass Funken länger wurden, wenn in der Nachbarschaft andere Funken übersprangen. Hertz führte dies richtig auf das von Funken ausgesandte ultraviolette Licht zurück, das zusätzliche Ladungen aus den Elektroden auslöste.
Sein Schüler W. L. F. Hallwachs untersuchte 1888 den Effekt genauer, indem er eine neutrale Metallplatte mit UV-Licht bestrahlte, wodurch sich diese positiv auflud.
P. E. A. Lenard, J. Elster und H. F. Geitel erkannten später, dass die Geschwindigkeit der ausgelösten Elektronen nicht von der Intensität des Lichts abhängig ist.
Dieses Ergebnis führte maßgeblich mit zur Entwicklung der Quantenmechanik und veranlasste Albert Einstein 1905 zur Formulierung der Lichtquantenhypothese, für die ihm 1921/22 der Nobelpreis verliehen wurde (was vielleicht auch als Ersatz für seine noch bedeutendere, aber damals vielen noch ungläubig erscheinende Relativitätstheorie gedacht war).
In diesem Kapitel werden die physikalischen Grundlagen des Photoeffekts dargestellt und die zugehörigen Experimente verfügbar gemacht. Das Herauslösen von Elektronen aus Materialien durch die Einstrahlung von Licht führt aus Sicht der Physik sofort zu den wesentlichen Fragen:
- Welche Rolle spielt die Energie des verwendeten Lichts?
- Welchen Einfluss auf die Herauslösung von Elektronen nehmen Farbe und Intensität des Lichts?
- Wie sehen die qualitativen Erklärungen aus und wie lauten die quantitativen Zusammenhänge?
Die damaligen Forschungen zum Photoeffekt haben zu wichtigen Erkenntnissen in der Physik beigetragen, beispielsweise konnten sie quantitative Messergebnisse zur Planck'schen Konstanten h liefern.
Als Photoeffekt, genauer photoelektrischer Effekt genannt, bezeichnet man ganz allgemein die Auslösung von Elektronen aus Metalloberflächen oder anderen Materialien infolge der Einstrahlung von - geeignetem - Licht. Er ist die Voraussetzung für heute in vielen technischen Bereichen genutzte Möglichkeiten: Er bildet beispielsweise die physikalische Grundlage für das Funktionieren von einfachen Lichtschranken wie auch zur Bereitstellung von Elektronen in Teilchenbeschleunigern und Photonen des Infrarotbereichs in Nachtsichtgeräten oder auch zur Messung der Energie ionisierender Strahlung in sog. Photomultipliern. Der Photoeffekt findet seine heutzutage wohl bekannteste Anwendung in der Photovoltaik.
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Photoeffekt - Worum geht es?
Ein Teilchenbeschleuniger ist ein Gerät zur Beschleunigung elektrisch geladener Teilchen (z. B. Elementarteilchen, Atomkerne, ionisierte Atome oder Moleküle) durch elektrische Felder, mit denen auf große Geschwindigkeiten erreicht werden können. Sie dienen häufig der Grundlagenforschung wie auch in der praktischen Anwendung beispielsweise zur Herstellung radioaktiver Substanzen.
Eine bestimmte Sorte von Nachsichtgeräten nutzt die vorhandene unsichtbare Infrarotstrahlung (Wärmestrahlung) der Umgebung aus, um sie in sichtbares Licht umzuwandeln und damit für den Beobachter erkennbar zu machen.
Unter Photovoltaik bzw. Fotovoltaik versteht man die direkte Umwandlung von Lichtenergie, meist derjenigen des Sonnenlichts, mittels Solarzellen in elektrische Energie.
Eine Lichtschranke besteht aus einem Lichtsender und einem Lichtempfänger. Der Sender stellt die Lichtstrahlenquelle dar und der Empfänger den Sensor, der die Strahlung der Lichtquelle registriert. Lichtschranken können mit unterschiedlichem Licht betrieben werden: Soll das Licht beispielsweise nicht sichtbar sein, kommt unsichtbares Licht zum Einsatz.
Ein Photomultiplier ist ein Lichtsensor, der in der Lage ist, Lichtsignale mit einer sehr geringen Intensität zu verstärken und in ein elektrisches Signal umzuwandeln.