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Unter der Bezeichnung '''photoelektrischer Effekt''' (auch '''lichtelektrischer Effekt''' oder kurz '''Photoeffekt''') werden drei nah verwandte, aber unterschiedliche Prozesse der [[Photon#Wechselwirkung von Photonen mit Materie|Wechselwirkung von Photonen mit Materie]] zusammengefasst. In allen drei Fällen wird ein [[Elektron]] aus einer Bindung – z. B. in einem [[Atom]] oder im [[Valenzband]] oder im [[Leitungsband]] eines Festkörpers – gelöst, indem es ein [[Photon]] [[Absorption (Physik)|absorbiert]]. Die Energie des Photons muss dazu mindestens so groß wie die [[Bindungsenergie]] des Elektrons sein.

Man unterscheidet drei Arten des photoelektrischen Effekts:

* Als ''äußeren photoelektrischen Effekt'' (auch ''Photoemission'' oder '''Hallwachs-Effekt''') bezeichnet man das Herauslösen von Elektronen aus einer [[Halbleiter]]- oder [[Metalle|Metall]]<nowiki />oberfläche (siehe [[Photokathode]]) durch Bestrahlung. Dieser Effekt wurde bereits im 19. Jahrhundert entdeckt<ref name="Hertz1887" /> und 1905 von [[Albert Einstein]] erstmals gedeutet, wobei er den Begriff des [[Lichtquant#Forschungsgeschichte|Lichtquants]] einführte.
* Der ''innere photoelektrische Effekt'' tritt in Halbleitern auf. Eine spezielle Form, der [[Becquerel-Effekt]] – die Entstehung einer elektrischen Spannung zwischen zwei zunächst gleichen Platin-Elektroden in einem Elektrolyten, von denen nur eine belichtet wird – wurde bereits 1839 von [[Alexandre Edmond Becquerel|Becquerel]] beschrieben.<ref name="Becquerel1839" /><ref name="Servay2024" /> Man unterscheidet zwei Fälle:
*# Als '''Photoleitung''' bezeichnet man die Zunahme der Leitfähigkeit von Halbleitern durch Bildung von nicht aneinander gebundenen [[Elektron-Loch-Paar]]en.
*# Darauf aufbauend ermöglicht der '''[[#Photovoltaischer Effekt|photovoltaische Effekt]]''' die Umwandlung von Licht- in elektrische Energie.
* Unter '''Photoionisation''' (auch ''atomarer Photoeffekt'') versteht man die [[Ionisation]] einzelner Atome oder Moleküle durch Bestrahlung mit Licht genügend hoher Frequenz.

Die vollständige Absorption des Photons durch ein freies Elektron ist nicht möglich. Stattdessen findet ein [[Compton-Effekt]] statt, aus dem immer auch ein Photon geringerer Energie hervorgeht.

== Äußerer photoelektrischer Effekt ==
[[Datei:Photoelectric effect in a solid - diagram.svg|alt=|mini|Schema des äußeren photoelektrischen Effekts: Bei Bestrahlung mit kurzwelligem Licht werden aus der Oberfläche Elektronen herausgelöst.]]
Im Jahr 1886 konnte [[Heinrich Hertz]] den Einfluss von [[Ultraviolettstrahlung]] (UV) auf die Metalloberflächen in einer [[Funkenstrecke]] demonstrieren.<ref name="Hertz1887" /> Dabei beobachtete er, dass das ultraviolette Licht, das von einem „Primärfunken“ A ausgesandt wird, die Länge eines zweiten Funkens B vergrößert. Die Länge von B hing [[Reziproke Proportionalität|reziprok]] vom Abstand der Funken ab, verschiedene Absorber für Ultraviolett (auch solche, die im sichtbaren Spektralbereich durchsichtig sind) verkleinerten den Funken. Einen Einfluss des sichtbaren Lichts auf die Funkenlänge konnte Hertz nicht nachweisen. Die Erklärung dieser Beobachtungen ist, dass das ultraviolette Licht Elektronen aus den Elektroden der Funkenstrecke herausschlägt, die dann schon bei geringerer [[Elektrische Feldstärke|elektrischer Feldstärke]] zu einem Überschlag führen, da nicht erst die [[Austrittsarbeit]] aufgewendet werden muss.

[[Datei:Gold leaf electroscope diagram.svg|mini|Schematische Darstellung eines Goldblattelektrometers, wie es W. Hallwachs für seine Versuche verwendete.]]
[[Wilhelm Hallwachs (Physiker)|Wilhelm Hallwachs]], damals Assistent von [[Gustav Heinrich Wiedemann|Gustav Wiedemann]] in Leipzig, führte weitere systematische Untersuchungen durch (daher auch die Bezeichnung ''Hallwachs-Effekt''). Dabei zeigte er z. B. mit einem „Goldblattelectroskop“ (siehe Abbildung rechts), dass sich eine Metallplatte durch Bestrahlung mit einer Lichtbogenlampe elektrisch aufladen ließ.<ref name="Hallwachs1888-269" /><ref name="Hallwachs1888-270" />

[[Philipp Lenard]] untersuchte als Erster den Photoeffekt im [[Hochvakuum]].<ref name="Lenard1900">{{Literatur |Autor=P. Lenard |Titel=Erzeugung von Kathodenstrahlen durch ultraviolettes Licht |Sammelwerk=Annalen der Physik |Band=307 |Nummer=6 |Datum=1900 |Seiten=359–375 |DOI=10.1002/andp.19003070611}}</ref> Er konnte 1899 durch Ablenkung der Ladungsträger im Magnetfeld ihre [[spezifische Ladung]] bestimmen und sie so als Elektronen identifizieren. Er entdeckte, dass die [[kinetische Energie]] der herausgelösten Elektronen unabhängig von der Lichtintensität ist<ref>{{Literatur |Autor=Philipp Lenard |Titel=Ueber die Lichtelektrische Wirkung |Sammelwerk=Annalen der Physik |Nummer=313(5) |Datum=1902 |DOI=10.1002/andp.19023130510 |Seiten=149–198 |Zitat=25. Die Anfangsgeschwindigkeiten sind unabhängig von der Lichtintensität.}}</ref> und dass die Intensität lediglich die Anzahl der herausgelösten Elektronen beeinflusst.<ref>{{Literatur |Autor=Philipp Lenard |Titel=Ueber die Lichtelektrische Wirkung |Sammelwerk=Annalen der Physik |Nummer=313 |Datum=1902 |DOI=10.1002/andp.19023130510 |Seiten=149–198 |Zitat=14. Die in der Zeiteinheit ausgestrahlte Menge ist der wirkenden Lichtintensität proportional.}}</ref> [[Albert Einstein]] lieferte 1905 in § 8 seiner Arbeit ''Ueber einen die Erzeugung und Verwandlung des Lichtes betreffenden [[Heuristik|heuristischen]] Gesichtspunkt'', für die er den Nobelpreis für Physik des Jahres 1921 erhielt, die Erklärung des Effekts.<ref name="Einstein1905">{{Literatur |Autor=A. Einstein |Titel=Ueber einen die Erzeugung und Verwandlung des Lichtes betreffenden heuristischen Gesichtspunkt |Sammelwerk=Annalen der Physik |Band=322 |Nummer=6 |Datum=1905 |Seiten=132–148 |Online=https://www.physik.uni-augsburg.de/annalen/history/einstein-papers/1905_17_132-148.pdf |DOI=10.1002/andp.19053220607}}</ref> [[Robert Andrews Millikan]] konnte ab 1912 bis 1915 mit Hilfe der Gegenfeldmethode (siehe unten) bestätigen, dass der Proportionalitätsfaktor der einsteinschen Gleichung mit dem bereits bekannten [[Planck-Konstante|Planckschen Wirkungsquantum]] übereinstimmt.<ref name="Milikan1916">{{Literatur |Autor=R. Millikan |Titel=A Direct Photoelectric Determination of Planck's "h" |Sammelwerk= [[Physical Review]] |Band=7 |Nummer=3 |Datum=1916-03 |Seiten=355–388 |Online=http://mapageweb.umontreal.ca/leonelli/PHY3320/millikan.pdf |DOI=10.1103/PhysRev.7.355}}</ref>

=== Gegenfeldmethode ===
Die Gegenfeldmethode ist hilfreich für Demonstrationsversuche zum äußeren Photoeffekt oder auch zur Bestimmung der Austrittsarbeit des (bei diesem Versuchsaufbau) als Anode verwendeten Materials.

[[Datei:Photoeffekt gegenfeldmethode neu.svg|mini|Versuchsaufbau bei der Gegenfeldmethode. Licht trifft auf die Kathode einer Photozelle und löst Elektronen aus dem Metall. Diese werden von der Anode aufgefangen.]]
Aus dem Licht einer [[Quecksilberdampflampe]] wird durch einen [[Interferenzfilter]] oder einen [[Monochromator]] ein schmaler Wellenlängenbereich gefiltert und (gegebenenfalls durch eine Linse) auf die Kathode (im Bild rot) einer Vakuum-[[Photozelle]] gebündelt. Vakuum ist erforderlich, damit die mittlere [[freie Weglänge]] der ausgetretenen Elektronen ausreicht, um die Anode zu erreichen. Eine Spannung <math>U_0</math> kann zwischen den beiden Elektroden angelegt werden.<ref name="Milikan1916" /><ref>{{Internetquelle |url=https://ap.physik.uni-konstanz.de/AP-public/Anleitungen/Photoeffekt.pdf |titel=h-Bestimmung mit dem Photoeffekt |werk=Physikalisches Anfängerpraktikum der Universität Konstanz |hrsg=Universität Konstanz |datum=2009-07-16 |format=PDF |abruf=2012-01-21}}</ref>

Wird die Kathode mit Licht ausreichend kurzer Wellenlänge bestrahlt, so werden dort Elektronen „herausgeschlagen“ und besitzen eine kinetische Energie <math>E_\mathrm{kin}</math>. Die Photozelle wird zur Stromquelle und der fließende ''Photostrom'' <math>I_\mathrm{phot}(U_0)</math> kann mit einem empfindlichen [[Amperemeter]] gemessen werden. Wird nun eine Gegenspannung <math>U_0</math> angelegt, so müssen Elektronen, die die Anode erreichen und zu einem Photostrom führen, neben der [[Austrittsarbeit]] <math>W_K</math> der (positiv vorgespannten) Kathode sowie der Austrittsarbeit der (negativ vorgespannten) Anode <math>W_A</math> auch das dadurch erzeugte elektrische Feld überwunden haben.<ref name=":0" />

Die Gegenspannung <math>U_0(f)</math>, ab der jeweils kein Photostrom mehr fließt, kann für verschiedene Frequenzen <math>f</math> des Lichts ermittelt werden. Nimmt man an, dass die Energie des Lichts nur durch Energiequanten mit der Energie <math>E = h \cdot f</math> (mit dem Planckschen Wirkungsquantum <math>h</math>) an die Elektronen übertragen wird, kann man aus der Steigung der gemessenen Geraden <math>e \cdot U_0(f)</math> das Wirkungsquantum <math>h</math> bestimmen (siehe auch Millikan<ref name="Milikan1916" />). Auch die Austrittsarbeit <math>W_A</math> kann bestimmt werden. Entgegen der weitläufigen Meinung, dass es sich hierbei um die Austrittsarbeit an der Kathode (dort wo die Elektronen herausgelöst werden) handelt, bezeichnet dies hier die Austrittsarbeit der Anode.<ref>{{Internetquelle |autor=Martin Buchhold, regionaler Fachberater Physik Koblenz-Nord |url=https://rfb.bildung-rp.de/fileadmin/_migrated/content_uploads/Fehlerhafte_Bestimmung_der_Abloesearbeit_mit_der_Gegenfeldmethode.pdf |titel=Fehlerhafte Bestimmung der Ablösearbeit mit der Gegenfeldmethode |datum=2013-07 |format=PDF |sprache=de |abruf=2021-04-18}}</ref><ref name=":1">{{Internetquelle |autor=Universität Bremen |url=https://www.uni-bremen.de/fileadmin/user_upload/fachbereiche/fb1/fb1/Physika/Versuche/Atomphysik/Anleitung/a3_photoeffekt_05_12_13.pdf |titel=Photoeffekt |format=PDF |sprache=de |abruf=2021-04-18}}</ref><ref name=":0">{{Literatur |Autor=R. von Baltz, F. Herrmann und M. Pohlig |Titel=Altlasten der Physik (115): Der photoelektrische Effekt |Sammelwerk=Praxis der Naturwissenschaften: Physik in der Schule |Band=6 |Nummer=58 |Datum=2009-08-12 |Seiten=47 bis 49 |Online=[https://www.pohlig.de/Veroeffentlichungen/Artikel/Photoeffekt.pdf online]}}</ref> Dies scheint auf den ersten Blick nicht unmittelbar einleuchtend, ergibt sich aber aus der Berechnung der Potentialniveaus an Kathode und Anode (die aus unterschiedlichen Materialien bestehen) und dem anschließenden Aufstellen der Energiebilanz unter Berücksichtigung des [[Kontaktelektrizität|Kontaktpotentials]].<ref name=":0" />

==== Bestimmung von ''h'' und der Austrittsarbeit ====
[[Datei:Photoelectric effect diagram.svg|mini|Diagramm der zur Gegenspannung proportionalen Energie der Elektronen in Abhängigkeit von der Frequenz des Lichts bei einer Anode aus Zink. Der sichtbare Frequenzbereich des Lichtes ist als Spektrum eingetragen]]

Wird <math>e\cdot U_0</math> gegen die Frequenz aufgetragen, entsprechen die Steigung der Planckschen Konstante ''h'' und der y-Achsenabschnitt der Austrittsarbeit an der Anode <math>W_A</math>.
Die Abbildung rechts wurde mit einer Zink-Anode gewonnen. Die roten Punkte sind die mit der Gegenfeldmethode gewonnenen Energiewerte bei vier verschiedenen diskreten Lichtfrequenzen. Sie liegen auf einer Geraden mit [[Steigungsdreieck|Steigung]]
:<math>h = \frac{\Delta E}{\Delta f} = \frac{4{,}3\, \mathrm{eV}}{10{,}4 \cdot 10^{14}\,\mathrm{Hz}} = \frac{4{,}3 \cdot 1{,}6 \cdot 10^{-19}\,\mathrm{J}}{10{,}4 \cdot 10^{14}\,\mathrm{Hz}} \approx 6{,}6 \cdot 10^{-34}\,\mathrm{Js}</math>
und einem (negativen) y-Achsenabschnitt
:<math>W_A \approx 4{,}3 \, \mathrm{eV}</math>.

Trägt man jedoch die Energie der Elektronen an der Kathode gegen die Frequenz auf, so entspricht der y-Achsenabschnitt der Austrittsarbeit <math>W_K</math>. Die zugrunde liegenden Formeln sehen wie folgt aus:

: <math>e\cdot U_0= h\cdot f -W_A
</math>
: <math>E_{e,K}=h\cdot f-W_K\;.
</math>

Wobei hier <math>U_0
</math> die Gegenspannung ist, bei der der Photostrom verschwindet, <math>f
</math> die Frequenz des einfallenden Lichts, <math>W_A
</math> die Austrittsarbeit an der Anode, <math>E_{e,K}
</math> die Energie der Elektronen an der Kathode und <math>W_K
</math> die Austrittsarbeit an der Kathode.<ref name=":1" />

=== Deutungsprobleme der Versuche im Rahmen der Wellenvorstellung ===

In den eben beschriebenen Versuchen können folgende Beobachtungen gemacht werden:

* Die kinetische Energie der aus der Photokathode austretenden Elektronen hängt nicht von der [[Bestrahlungsstärke]], sondern von der [[Spektralfarbe]] des Lichtes ab, also von dessen Wellenlänge <math>\lambda</math> bzw. Frequenz <math>f</math>.
* Die kinetische Energie dieser Photoelektronen steigt, beginnend bei einer Minimalfrequenz, linear mit der Frequenz des Lichtes an.
* Die Maximalwellenlänge beziehungsweise Minimalfrequenz, bei der gerade noch Elektronen austreten, hängt vom Material der Kathodenoberfläche ab, siehe [[Austrittsarbeit]].
* Die Freisetzung der Elektronen beginnt praktisch sofort mit Einfall des Lichtes und endet genauso schnell nach dem Ende der Bestrahlung.
* Der Photo[[Elektrischer Strom|strom]] der Elektronen ist proportional zum [[Strahlungsfluss]], wenn durch eine ausreichend positive Anode alle emittierten Elektronen aufgefangen werden.

Bis auf die letzte Beobachtung stehen alle gefundenen Zusammenhänge im Widerspruch zur [[Klassische Physik|klassischen Vorstellung]] von Licht als Wellenerscheinung. Nach dieser hängt die Energie einer Welle allein von ihrer [[Amplitude]], nicht jedoch von ihrer [[Frequenz]] ab. Somit müsste mit sinkender Bestrahlungsstärke auch die kinetische Energie der Elektronen abnehmen. Der Effekt sollte dann verzögert auftreten, da die Übertragung der zur Freisetzung der Elektronen nötigen Energie dann länger dauert. Statt einer Minimalfrequenz wäre nach klassischer Vorstellung zu erwarten, dass mit sinkender Frequenz lediglich die Zeit, bis ein Elektron genügend Lichtenergie aufgesammelt hat, zunimmt.

[[Datei:Photoeffekt-feyn.svg|mini|[[Feynman-Diagramm]] zum Photoeffekt: Ein elektrisch an ein Atom <math>Z</math> gebundenes Elektron tritt in Wechselwirkung mit einem Photon und ändert dabei seine Energie.]]

=== Deutung und Bedeutung des Phänomens ===

Physiker wie [[Isaac Newton]] hatten zwar schon angenommen, dass Licht aus Teilchen, sogenannten [[Korpuskeltheorie|Korpuskeln]], besteht. Spätestens Ende des 19. Jahrhunderts galt die Vorstellung von Lichtteilchen allerdings als überholt, da zum einen [[Interferenz (Physik)|Interferenzexperimente]] den Wellencharakter des Lichts unzweifelhaft belegten und [[James Clerk Maxwell|Maxwells]] Elektrodynamik Licht als [[elektromagnetische Welle]] auffasste.

[[Albert Einstein|Einsteins]] Erklärung des photoelektrischen Effekts durch Lichtteilchen 1905 war vor diesem Hintergrund eine mutige [[Hypothese]], zu der er durch die Analyse der statistischen Schwankungen geführt wurde, die er theoretisch aus dem Planckschen Gesetz für die [[Wärmestrahlung]] ableiten konnte:

{{Zitat
|Text=Monochromatische Strahlung von geringer Dichte […] verhält sich in wärmetheoretischer Beziehung so, wie wenn sie aus voneinander unabhängigen Energiequanten von der Größe <math>R \beta \nu / N \quad[ = h\nu ]</math> bestünde.
|Sprache=de
|Autor=Albert Einstein
|Quelle=
|ref=<ref name="Einstein1905"/>
}}

Mit Hilfe dieser [[Lichtquantenhypothese]] konnte Einstein zunächst den Zusammenhang zwischen der Frequenz des Lichts und der Energie des Lichtquants erklären, und darauf aufbauend auch alle weiteren experimentellen Beobachtungen. Jedoch blieb die Lichtquantenhypothese umstritten, so dass Einstein erst 1921 für seine Erklärung des Effekts mit dem [[Nobelpreis für Physik]] ausgezeichnet wurde.

Der für die Anschauung offenbare Widerspruch, dass Licht in bestimmten Experimenten Wellen-, in anderen aber Teilchenverhalten zeigt, wurde ab 1926 in der [[Wellenmechanik]] und ab 1928 in der [[Quantenelektrodynamik]] zum allgemeinen [[Welle-Teilchen-Dualismus]] vertieft. Der photoelektrische Effekt wurde zu einem der Schlüsselexperimente zur Begründung der [[Quantenphysik]]. Allerdings wurde in den 1960er Jahren eine Möglichkeit entdeckt, den Photoeffekt semi-klassisch zu erklären: Eine klassische elektromagnetische Welle wechselwirkt dabei mit dem quantisierten Detektor. Der Photoeffekt allein ist somit noch kein eindeutiger Nachweis für die Quantennatur von Licht.<ref>Marlan O. Scully, Willis E. Lamb Jr.: ''The photoelectric effect without photons.'' In: ''Polarisation matière et rayonnement.'' 1969, S. 363–369.</ref><ref>{{Literatur |Autor=Stephen Klassen |Titel=The Photoelectric Effect: Reconstructing the Story for the Physics Classroom |Sammelwerk=Sci & Educ |Band=20 |Nummer= |Datum=2011 |Seiten=719–731 |Online=[https://link.springer.com/article/10.1007/s11191-009-9214-6 online] |Abruf=2021-07-28 |DOI=10.1007/s11191-009-9214-6}}</ref>

=== Anwendungen ===
Verschiedene physikalische Geräte, wie [[Photozelle]]n und Photokathoden von [[Photomultiplier]]n und [[Restlichtverstärker|Bildwandlerröhren]], sowie eine wichtige oberflächenphysikalische Messmethode, die [[Photoelektronenspektroskopie]], nutzen den photoelektrischen Effekt. Dabei werden [[photoelektrische Messverfahren]] angewendet.

== Innerer photoelektrischer Effekt ==
=== Photoleitung ===

Unter Photoleitung versteht man die Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit von [[Halbleiter]]materialien aufgrund der Bildung von ungebundenen [[Elektron-Loch-Paar]]en bei Bestrahlung. Die Elektronen werden dabei mittels der Energie der Photonen vom [[Valenzband]] in das energetisch höher gelegene [[Leitungsband]] gehoben, wofür die Energie des einzelnen Photons mindestens der [[Bandlücke]] des bestrahlten Halbleiters entsprechen muss. Da die Größe der Bandlücke materialabhängig ist, unterscheidet sich die maximale Wellenlänge des Lichtes, bis zu der Photoleitung auftritt, je nach Halbleiter (Galliumarsenid: 0,85 μm, Germanium: 1,8 μm, Silizium: 1,1 μm).

[[Elektromagnetisches Spektrum|Spektren]] der Photoleitung zeigen die Abhängigkeit der [[Elektrische Leitfähigkeit|elektrischen Leitfähigkeit]] von der Energie (beziehungsweise der Wellenlänge) des eingestrahlten Lichts. Die Leitfähigkeit steigt ab der Bandlückenenergie deutlich an, so dass man auf diese Weise die (direkte) Bandlücke bestimmen kann. Die detaillierte Analyse solcher Photoleitungsspektren ist in Kombination mit den Erkenntnissen aus anderen Untersuchungen eine wichtige Grundlage für das Verständnis der [[Bandstruktur]] des verwendeten Materials (siehe auch [[Bändermodell]]).

Wenn die Untersuchungen im [[Magnetismus|Magnetfeld]] vorgenommen werden, können noch weitere Details bestimmt werden, die sich sonst in ihren Auswirkungen untrennbar überlagern, durch das Magnetfeld aber getrennt werden. Beispiele sind der [[Magnetooptischer Kerr-Effekt|magnetooptische Kerr-Effekt]] und der [[Halleffekt]], mit welchem die [[Elektronenbeweglichkeit]] bestimmt werden kann.

Für Messungen der Wellenlängenabhängigkeit der Photoleitung verwendet man [[Monochromator]]en. Messungen erfolgen meistens im Vakuum, um z. B. Wasserbanden (siehe [[Infrarotspektroskopie]]) im nahen Infrarot zu vermeiden, oder bei tiefen Temperaturen, um z. B. Magnetfeldeffekte vom Rauschen zu trennen.

Die Photoleitung wird in [[Fotowiderstand|Photowiderständen]], [[Phototransistor]]en, [[Photodiode]]n und [[CCD-Sensor]]en (''siehe auch [[pin-Diode]] und [[Avalanche-Photodiode]]'') ausgenutzt, welche bei der Herstellung einer Vielzahl von [[Lichtsensor]]en Verwendung finden.

In Photowiderständen und auch anderen Halbleitern können durch Licht erzeugte Ladungsträger unter Umständen auch nach Abdunkelung sehr lange (Stunden bis Tage) bestehen bleiben, man spricht dann vom langanhaltenden Photoeffekt (kurz PPE, von engl. ''persistent photoeffect'').

Phototransistoren enthalten photoempfindliche PN-Übergänge. Sie verstärken den in ihrer Basis auftretenden Strom.

Für Messungen im sichtbaren und im infraroten Spektralbereich werden als Photoleiter meist Photodioden im Quasikurzschluss oder im Sperrbereich betrieben – sie liefern dann einen zum einfallenden Strahlungsfluss über viele Größenordnungen proportionalen Strom.

Persistente Photoleitung wird in [[Strontiumtitanat]]-Einkristallen bei Raumtemperatur beobachtet. Nach Belichtung erhöht sich die freie Elektronen-Konzentration um zwei Größenordnungen und bleibt über Tage erhöht.<ref name="DOI10.1103/PhysRevLett.111.187403">Marianne C. Tarun, Farida A. Selim, Matthew D. McCluskey: ''Persistent Photoconductivity in Strontium Titanate.'' In: ''Physical Review Letters.'' 111, 2013, [[doi:10.1103/PhysRevLett.111.187403]].</ref>

=== Photovoltaischer Effekt ===
{{Siehe auch|Geschichte der Photovoltaik}}

Der photovoltaische Effekt basiert ebenfalls auf dem inneren photoelektrischen Effekt; er tritt bei dotierten Halbleitern auf, die eine [[Photodiode]] bilden. Ladungsträgerpaare, von denen der Minoritätsladungsträger in die [[Raumladungszone]] des [[p-n-Übergang]]s diffundiert, oder die unmittelbar in der Raumladungszone entstehen, werden in p- und n-Schicht getrennt. Dabei gehen die Elektronen in die n-Schicht und die Löcher in die p-Schicht über, wodurch ein Strom entgegen der Durchlassrichtung des Übergangs entsteht. Dieser Strom wird Photostrom genannt.

Großflächige Photodioden ([[Solarzelle]]n) dienen der Wandlung der Strahlungsenergie der Sonne in elektrische Energie.

== Photoionisation ==
Werden die Atome oder Moleküle eines [[Gas]]es durch kurzwellige Strahlung eines oder mehrerer ihrer Elektronen beraubt, spricht man von ''Photoionisation'' oder auch ''atomarem'' oder ''molekularem Photoeffekt.'' Dazu sind Photonen mit wesentlich höheren Energien nötig als für das Lösen der Bindung in einem Festkörper. Diese sind in [[Ultraviolett]]-, [[Röntgenstrahlung|Röntgen-]] oder [[Gammastrahlung]] enthalten.

Wird das Photon absorbiert und gibt seine ''gesamte'' Energie an ein Elektron ab, wird dies in der Kernphysik gemeinhin als ''Photoeffekt'' bezeichnet. Dieser wird z. B. in [[Strahlungsdetektor]]en ausgenutzt. Daneben trägt zur Photoionisation auch der [[Compton-Effekt]] bei, bei dem das Elektron nur einen Teil der Energie übernimmt, während der Rest der Energie als Photon größerer Wellenlänge wieder emittiert wird.
[[Datei:Ionisationswirkungsquerschnitt.svg|mini|Ionisationswirkungsquerschnitt als Funktion der Photonenenergie (schematisch) mit Absorptionskanten]]

Der [[Wirkungsquerschnitt]] <math>\sigma</math>, also die Wahrscheinlichkeit für das Eintreten der Photoionisation, hängt von der [[Photonenenergie]] <math>E_\gamma</math> und der [[Ordnungszahl]] <math>Z</math> des Materials ab:

:<math>\sigma \propto Z^5E_\gamma^{-3,5}\;.</math>

Er ist also näherungsweise proportional der fünften Potenz der Ordnungszahl. Das bedeutet, dass Materialien mit hoher Ordnungszahl besonders gut [[Röntgenstrahlung|Röntgen-]] und [[Gammastrahlung]] absorbieren. [[Blei]] (<math>Z=82</math>) ist daher besser zur [[Abschirmung (Strahlung)|Abschirmung]] von Röntgenstrahlung geeignet als beispielsweise [[Aluminium]] (<math>Z=13</math>).

Mit steigender Photonenenergie nimmt der Wirkungsquerschnitt ab, wie die negative Potenz in der Formel zeigt; dies gilt allerdings nur, solange eine gleichbleibende Zahl der Elektronen des Atoms zur Ionisation verfügbar ist. Sobald die Photonenenergie die [[Bindungsenergie]] der jeweils nächst fester gebundenen [[Elektronenkonfiguration|Elektronenschale]] erreicht, springt der Wirkungsquerschnitt auf einen entsprechend höheren Wert, von dem er dann bei weiterem Energieanstieg wieder allmählich abfällt. Dies führt im [[Absorptionsspektrum]] zu charakteristischen Strukturen, den ''[[Absorptionskante]]n.'' Elektronen-Bindungsenergien reichen von wenigen [[Elektronvolt|eV]] bis zu rund 100 keV in Elementen hoher Ordnungszahl.

Die Photoionisation von Luft mittels Ultraviolettstrahlung durch [[Ionisator]]en wird zur Erhöhung ihrer Leitfähigkeit und dadurch zur Ableitung [[Elektrostatische Entladung|elektrostatischer Aufladungen]] genutzt.

Die Messung der Leitfähigkeit der Luft wurde zum erstmaligen Nachweis der kosmischen Herkunft eines Teiles der natürlichen Radioaktivität herangezogen, indem sie bei Ballonaufstiegen gemessen wurde: die [[kosmische Strahlung]] erzeugt Schauer ionisierender Teilchen und teilweise radioaktive [[Spallation]]sprodukte.

Es gibt auch einen [[Kernphotoeffekt]], bei dem ein sehr energiereiches Gamma-Quant im Atomkern absorbiert wird und mit einer [[Kernreaktion]] ein [[Neutron]], [[Proton]] oder [[Alphastrahlung|Alphateilchen]] freisetzt. Dies wird auch als (γ,n)-, (γ,p)- beziehungsweise (γ,α)-Reaktion bezeichnet.

== Siehe auch ==
* [[Photoelektronenspektroskopie]]
* [[Dember-Effekt]]
* [[Photoelektromagnetischer Effekt]]

== Literatur ==
* {{Literatur |Autor=Silvana Galdabini, Giuseppe Giuliani und Nadia Robotti |Titel=Photoelectricity within Classical Physics: From the Photocurrents of Edmond Becquerel to the First Measure of the Electron Charge |Online=[http://fisica.unipv.it/percorsi/pdf/napesi.pdf PDF]}}
* {{Literatur |Autor=Albert Einstein |Titel=Über einen die Erzeugung und Verwandlung des Lichtes betreffenden heuristischen Gesichtspunkt |Sammelwerk=Annalen der Physik |Band=322 |Nummer=6 |Datum=1905 |Seiten=132–148 |Online=[https://einstein-annalen.mpiwg-berlin.mpg.de/annalen/alphabetical/HUN315QN Online] |Abruf=2010-09-07}}
* {{Literatur |Autor=Clauser |Titel=Experimental distinction between the quantum and classical field-theoretic predictions for the photoelectric effect. |Sammelwerk=[[Physical Review]] D |Band=9 |Nummer=4 |Datum=1974 |Seiten=853–860}}
* [[Klaus Hentschel]]: ''Lichtquanten. Die Geschichte des komplexen Konzepts und mentalen Modells von Photonen''. Cham: Springer 2023, S. 72–81.
* {{Literatur |Autor=Willis Lamb Jr. |Titel=The photoelectric effect without photons |Sammelwerk=Presses Universitaires de France |Band=Paris |Datum=1969}}

== Weblinks ==
{{Commonscat|Photoelectric effect|Photoelektrischer Effekt|audio=0|video=0}}
* [https://www.walter-fendt.de/html5/phde/photoeffect_de.htm Interaktive Webseite zum Photoeffekt]
* [https://www.uni-ulm.de/fileadmin/website_uni_ulm/nawi.inst.251/Didactics/quantenchemie/html/PhEff-F.html Photoeffekt, Photonenhypothese mit interaktiven Experimenten] (Universität Ulm) (benötigt Adobe Flash)
* [http://rcl-munich.informatik.unibw-muenchen.de/ Remotely Controlled Lab (RCL)] (Realexperiment, über das Internet fernbedienbar, siehe dort unter „RCLs“)

== Einzelnachweise ==
<references>
<ref name="Becquerel1839">
{{Literatur
|Autor=Edmond Becquerel
|Titel=Mémoire sur les effets électriques produits sous l'influence des rayons solaires
|Hrsg= Académie des sciences
|Sammelwerk=Comptes rendus hebdomadaires des séances de l'Académie des sciences
|Ort=Paris
|Datum=1839
|Sprache=fr
|Seiten=561-567
|Online=https://gallica.bnf.fr/ark:/12148/bpt6k2968p/f561.item}}
</ref>
<ref name="Hertz1887">
{{Literatur
|Autor=H. Hertz
|Titel=Ueber einen Einfluss des ultravioletten Lichtes auf die electrische Entladung
|Sammelwerk=Annalen der Physik und Chemie
|Band=267
|Nummer=8
|Datum=1887
|Seiten=983–1000
|DOI=10.1002/andp.18872670827}}
</ref>
<ref name="Hallwachs1888-269">
{{Literatur
|Autor=Wilhelm Hallwachs
|Titel=Ueber den Einfluss des Lichtes auf electrostatisch geladene Koerper
|Sammelwerk=Annalen der Physik und Chemie
|Band=269
|Nummer=2
|Datum=1888
|Seiten=301–312
|DOI=10.1002/andp.18882690206}}
</ref>
<ref name="Hallwachs1888-270">
{{Literatur
|Autor=Wilhelm Hallwachs
|Titel=Ueber die Electrisirung von Metallplatten durch Bestrahlung mit electrischem Licht
|Sammelwerk=Annalen der Physik und Chemie
|Band=270
|Nummer=8A
|Datum=1888
|Seiten=731–734
|DOI=10.1002/andp.18882700809}}
</ref>
<ref name="Servay2024">
{{Literatur
|Autor=Thomas Servay
|Titel=Die 22 kreativen Prinzipien der Evolution: Gezeigt an 6 Disziplinen
|Verlag=Springer-Verlag
|Ort=Heidelberg
|Datum=2024
|ISBN=978-3-662-68855-7
|Seiten=299}}
</ref>
</references>

{{Normdaten|TYP=s|GND=4174487-1|LCCN=sh85101170|NDL=00566101}}

[[Kategorie:Theoretische Elektrotechnik]]
[[Kategorie:Festkörperphysik]]
[[Kategorie:Quantenphysik]]
[[Kategorie:Albert Einstein]]

Photoelektrischer Effekt - Versionsgeschichte

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