Licht als Teilchen

Wenn man eine negativ geladene Zinkplatte mit UV-Licht bestrahlt (z. B. von einer Hg-Dampflampe), dann verliert die Platte wieder ihre überschüssigen Ladungen. Das kann man mit einem Elektroskop messen.

Der Fotoeffekt wurde bereits von Becquerel 1839 entdeckt und 1887 von Heinrich Hertz, Wilhelm Hallwachs und Philipp Lenard genauer untersucht. Worum geht es dabei? Wenn man eine Zinkplatte negativ auflädt und sie dann mit UV-Licht bestrahlt, verliert sie wieder ihre Ladung (b). Wenn man aber vor die UV-Lampe eine Glasplatte gibt, dann bleibt die Zinkplatte negativ geladen ©. Was besonders verblüffend ist. Wenn man die Platte mit einer normalen, sehr starken Lampe bestrahlt (d), kann man sie ebenfalls nicht zum Entladen bringen. Hast du eine Erklärung dafür?

Das Herausschlagen der Elektronen aus der Zinkplatte kann man mit einem Fußballstoß aus einer Grube vergleichen. Um den Ball herauszubekommen, ist eine bestimmte Austrittsarbeit notwendig, die von Tiefe ($h$) und Ballmasse ($m$) abhängt: $W = m\cdot g \cdot h$. Mit dem Fußtritt überträgst du Energie ($E$) auf den Ball, die sich durch das Hinaufrollen um die Austrittsarbeit verringert: $E_{kin}=E-W$. Wenn $E$ kleiner ist als $W$, kann der Ball gar nicht aus der Grube rollen ($E_{kin}$ wäre dann negativ, was natürlich nicht möglich ist).

Mit den Photonen in der Zinkplatte ist es genauso. Um sie abzulösen, ist eine bestimmte Austrittsarbeit ($W$) notwendig. Von den aufprallenden Photonen bekommen die Elektronen die Energie $E = h \cdot f$. Für die kinetische Energie der abgelösten Elektronen ergibt sich dann in Analogie zum Fußballstoß $E_{kin} = E - W = h\cdot f- W$. Das nennt man auch die Einstein-Gleichung, und sie passt perfekt zu den im Experiment gefundenen Ergebnissen. Ist die Energie der Photonen kleiner als die Ablösearbeit, dann kann das Elektron nicht herausgeschlagen werden (etwa bei einer Zinkplatte im normalen Licht).

Zusammenhang zwischen der Frequenz der einfallenden Photonen und der kinetischen Energie der herausgeschlagenen Elektronen bei Zink und Natrium. Der Anstieg der Geraden ist A5/Af = h (die Energie muss dazu von eV in J umgerechnet werden).

Analoge Kameras mit Film gehören praktisch der Vergangenheit an. Gegenwart und Zukunft gehören den digitalen Kameras. Aber was wird bei diesen belichtet, wenn sie keinen Film haben (F14)? Ein sogenanntes CCD, ein charge-coupled device (folgende Abb.)! Am Besten kann man das mit „ladungsgekoppelter Bauteil„ übersetzen. Ein CCD besteht aus einer Matrix von lichtempfindlichen Punkten. Wenn eine Kamera zum Beispiel 6 Millionen Bildpunkte (Pixel) hat, dann befinden sich auf dem CCD 2000 mal 3000 solcher Punkte.

Hochempfindlicher CCD-Sensor für die Astronomie.

Die genaue Funktionsweise kann man nur im Rahmen der Halbleitertechnik erklären. Ganz grob gesagt wird dabei aber der Fotoeffekt ausgenutzt. Im CCD werden durch den Aufprall der Photonen Elektronen freigesetzt, die dann gemessen werden können. Auf diese Weise kann man feststellen, welche Pixel „belichtet“ wurden. Weil die Elektronen den Kristall nicht verlassen, spricht man in diesem Fall vom inneren Fotoeffekt. Die Austrittsarbeit in einem CCD ist so gering, dass der Effekt auch von sichtbarem Licht ausgelöst werden kann.