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Photo|effekt,

 

Foto|effekt, photo|elektrischer Effẹkt, foto|elektrischer Effẹkt, licht|elektrischer Effẹkt, physikalischer Vorgang, bei dem Elektronen durch Lichtabsorption aus ihrem Bindungszustand gelöst und für den elektrischen Ladungstransport verfügbar werden. Im weiteren Sinn versteht man unter Photoeffekt jede Art der Wechselwirkung von Photonen mit Materie, bei der die Photonen ihre gesamte Energie abgeben, also absorbiert werden; z. B. wird beim atomaren Photoeffekt (Photoionisation) ein Licht-, Röntgen- oder γ-Quant genügend großer Energie durch die Elektronenhülle eines freien Atoms absorbiert, wodurch ein Elektron den atomaren Verband verlässt und das Atom als positiv geladenes Ion zurückbleibt. Sehr harte Gammastrahlung kann den Kernphotoeffekt auslösen, bei dem Protonen oder Neutronen aus dem Atomkern emittiert werden.

 

Beim äußeren Photoeffekt (Hallwachs-Effekt) werden Elektronen (Photoelektronen) aus einem Festkörper in das umgebende Volumen emittiert (Photoemission), die in einem elektrischen Feld beschleunigt werden und einen Strom (Photostrom) erzeugen können. Die Anzahl der Photoelektronen beziehungsweise die Stromstärke des Photostroms ist bei genügend großer elektrischer Feldstärke der absorbierten Lichtintensität proportional (photoelektrisches Proportionalitätsgesetzt). Nur Photonen, deren Energie hv größer ist als die Austrittsarbeit A des bestrahlten Metalls (h plancksches Wirkungsquantum), können jeweils ein Leitungslektron aus dem Metallverband herauslösen. Die kinetische Energie W_k der Photoelektronen hängt von der Frequenz v der einfallenden elektromagnetischen Strahlung und von der Austrittsarbeit A des bestrahlten Metalls ab: W_k = hν — A (photoelektrisches oder einsteinsches Gesetz, Lenard-Einstein-Gleichung). Daher hat der äußere Photoeffekt eine langwellige Grenze, oberhalb derer eine photoelektrische Elektronenemission nicht möglich ist. Die zugehörige untere Grenzfrequenz ist durch v_g = A / h gegeben. Sie liegt bei den Alkalimetallen im sichtbaren, bei den meisten anderen Metallen im ultravioletten Spektralbereich und kann durch Sensibilisatoren (z. B. bei Photozellen) bis in den Infrarotbereich verschoben werden.

 

Beim inneren Photoeffekt, der an Halbleitern und Isolatoren auftritt, verlassen die durch Lichtabsorption angeregten Ladungsträger den Festkörper nicht. Durch die Bestrahlung wird einzelnen Kristallelektronen Energie zugeführt, die ihnen erlaubt, sich fast wie freie Teilchen im Kristallverband zu bewegen. Dadurch erhält der Isolator eine elektrische Leitfähigkeit (Photoleitung), die z. B. zum Strahlungsnachweis dienen kann. Auch für den inneren Photoeffekt gilt das einsteinsche Gesetz; die Austrittsarbeit ist dabei durch die Größe ΔE der Bandlücke (Bändermodell) zu ersetzen. Da in einigen Halbleitern, z. B. Bleisulfid, ΔE sehr klein ist, sind diese als infrarote Strahlungsempfänger von großer Bedeutung. - Eine spezielle Form des inneren Photoeffekts ist der Sperrschichtphotoeffekt (photovoltaischer Effekt), der bei der Bestrahlung eines p-n-Übergangs in einem Halbleiter oder der Schottky-Randschicht eines Metall-Halbleiter-Übergangs (Schottky-Kontakt) zu einer Photospannung an der Sperrschicht führt. Man kann damit einen Stromfluss erreichen, ohne eine äußere elektrische Spannung anlegen zu müssen, wie es bei dem äußeren und inneren Photoeffekt erforderlich ist. Damit gelingt die direkte Umwandlung von Lichtenergie in elektrische Energie (Photoelement, Solarzelle).

 

Bei räumlich inhomogener Bestrahlung (z. B. infolge starker Lichtabsorption) zeigt sich der Kristallphotoeffekt (Dember-Effekt), bei dem durch das Konzentrationsgefälle der Elektronen längs des Lichtwegs Diffusionserscheinungen in Lichtrichtung auftreten, die zur Ausbildung einer Photospannung führen. - An metallischen oder halbleitenden Elektroden in einem Elektrolyten tritt bei Bestrahlung der Becquerel-Effekt auf.