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4.2.3 Der photoelektrische Effekt und seine Deutung

Als photoelektrischen Effekt bezeichnet man das Phänomen, dass Licht in der Lage ist, Elektronen aus einer Metalloberfläche herauszulösen. Aus klassischer Sicht ist Licht eine elektromagnetische Welle. Als solche ist sie natürlich in der Lage Elektronen derart zu beschleunigen, dass sie das Metall verlassen. Allerdings gibt es einige experimentelle Details, die nicht zum Wellenmodell passen. Insbesondere wurde beobachtet, dass
  1. nicht etwa die Energie, sondern die Anzahl der herausgelösten Elektronen mit der Intensität des Lichtes ansteigt,
  2. dass die Maximalenergie der emittierten Elektronen linear mit der Frequenz des Lichtes zunimmt, sofern diese eine bestimmte Schwelle überschreitet und
  3. dass keine Zeitverzögerung zwischen Einschalten des Lichtes und dem Beginn der Elektronenemission auftritt.

Bekanntlich lassen sich diese Beobachtungen nur dann erklären, wenn man Licht als einen Strom von Partikeln interpretiert. Andere Experimente beweisen jedoch ganz klar den Wellencharakter des Lichtes. Dass Licht sowohl Welle, als auch Teilchenstrom ist, scheint oberflächlich betrachtet vollkommen unverständlich zu sein. In der Tat hat sich die Physik in den letzten einhundert Jahren sehr schwer damit getan, eine überzeugende Erklärung für diese Doppelnatur zu finden. In der Quantinotheorie ist es hingegen beinahe offensichtlich, worum es sich bei den Lichtteilchen - den Photonen - tatsächlich handelt: nämlich um Dipole.

Abbildung 4.2.3.1: Photon mit einer Frequenz von 100 THz
Abbildung 4.2.3.2: Photon mit einer Frequenz von 200 THz
Die Abbildungen 4.2.3.1 und 4.2.3.2 zeigen die Felder zweier schwingender Dipole, die sich mit beinahe Lichtgeschwindigkeit nach rechts bewegen. Beide Abbildungen unterscheiden sich lediglich in der Schwingungsfrequenz der Dipole, die auf der linken Seite nur halb so groß ist, wie auf der rechten. Es fällt sofort auf, dass das Feld auf der rechten Seite stärker ausgeprägt ist, als auf der linken. Das bedeutet, dass der Dipol mit der höheren Frequenz eine höhere Wirkung auf andere Dipole oder Ladungen ausübt, oder anders ausgedrückt, mehr Energie transportiert. Andererseits gilt, dass ein Dipol der Frequenz Null gar kein Feld besitzt und somit auch nicht wechselwirkt. Es gibt also einen klaren Zusammenhang zwischen Frequenz und Wirkung eines Photons, was den Punkt 2 der obenstehenden Aufzählung erklärt.

Normalerweise besteht Licht aus vielen Photonen. Es ist logisch, dass die Intensität des Lichtes mit der Anzahl der Photonen ansteigt, da sich ihre Felder überlagern. Sind genügend Photonen vorhanden, so bildet sich ein Kontinuum, welches in guter Näherung als klassische elektromagnetische Welle interpretiert werden kann. Da die Intensität des Lichtes mit der Photonenanzahl korreliert, verwundert es nicht, dass die Anzahl der herausgelösten Elektronen mit zunehmender Lichtintensität ansteigt. Gleichzeitig wird klar, weshalb auch noch bei sehr geringen Lichtintensitäten Elektronenemissionen beobachtet werden. Damit ist auch der Punkt 1 verstanden.

Punkt 3 erklärt sich ebenfalls sofort durch das Dipolmodell des Lichtes. Wäre Licht eine klassische elektromagnetische Welle, so würde die Zeit zwischen Einschalten des Lichtes und dem Beginn der Elektronenemission mit kleiner werdender Lichtintensität zunehmen, da sich die Energie erst an den Elektronen aufschaukeln müsste. Tatsächlich beginnt die Emission von Elektronen aber praktisch immer sofort nach Einschalten des Lichtes. Versteht man Licht jedoch als einen Partikelstrom aus Dipolen, so ist das nicht weiter verwunderlich.