Photoelektrischer Effekt

Der photoelektrische Effekt ist die Emission von Elektronen oder anderen freien Trägern, wenn Licht auf ein Material scheint. Auf diese Weise emittierte Elektronen können Photoelektronen genannt werden. Dieses Phänomen wird häufig in der Elektronischen Physik sowie auf Gebieten der Chemie wie der Quantenchemie oder der Elektrochemie untersucht.

Nach der klassischen elektromagnetischen Theorie kann dieser Effekt der Übertragung von Energie vom Licht auf ein Elektron zugeschrieben werden. Aus dieser Perspektive würde eine Änderung der Lichtintensität Änderungen der kinetischen Energie der vom Metall emittierten Elektronen induzieren.Außerdem würde nach dieser Theorie erwartet werden, dass ein ausreichend schwaches Licht eine Zeitverzögerung zwischen dem anfänglichen Leuchten seines Lichts und der anschließenden Emission eines Elektrons zeigt. Die experimentellen Ergebnisse korrelierten jedoch nicht mit einer der beiden Vorhersagen der klassischen Theorie.

Stattdessen werden Elektronen nur durch das Auftreffen von Photonen abgelöst, wenn diese Photonen eine Grenzfrequenz (Energie) erreichen oder überschreiten. Unterhalb dieser Schwelle werden keine Elektronen von dem Material emittiert, unabhängig von der Lichtintensität oder der Zeitdauer der Belichtung. (Selten wird ein Elektron entkommen, indem es zwei oder mehr Quanten absorbiert. Dies ist jedoch extrem selten, weil es, wenn es genug Quanten absorbiert, um es zu entkommen, wahrscheinlich das restliche Quanten emittiert hat.) Um den Tatsachen einen Sinn zu geben Englisch: www.mps.mpg.de/en/topics/topic_200603.html Dass Licht auch Elektronen ausstoßen kann, wenn seine Intensität niedrig ist, Albert Einstein hat vorgeschlagen, dass ein Lichtstrahl nicht eine sich durch den Raum ausbreitende Welle ist, sondern eine Sammlung diskreter Wellenpakete (Photonen) mit jeweils Energie hν. Dies gibt Aufschluss über Max Plancks bisherige Entdeckung der Planck-Beziehung (E = hν), die Energie (E) und Frequenz (ν) verbindet, die sich aus der Quantisierung von Energie ergeben. Der Faktor h ist als Planck-Konstante bekannt.

1887 entdeckte Heinrich Hertz, dass mit ultraviolettem Licht beleuchtete Elektroden elektrische Funken leichter erzeugen. Der deutsche Physiker Max Planck vermutete im Jahr 1900 bei der Untersuchung der Schwarzkörperstrahlung, dass die von elektromagnetischen Wellen getragene Energie nur in “Paketen” von Energie freigesetzt werden könne. Im Jahr 1905 veröffentlichte Albert Einstein eine Arbeit, die die Hypothese, dass Lichtenergie in diskreten quantisierten Paketen transportiert wird, um experimentelle Daten aus dem photoelektrischen Effekt zu erklären, vorantreibt. Dieses Modell trug zur Entwicklung der Quantenmechanik bei. Millikans Experiment unterstützte 1914 Einsteins Modell des photoelektrischen Effekts. Einstein erhielt 1921 den Nobelpreis für “seine Entdeckung des Gesetzes des photoelektrischen Effekts”, und Robert Millikan erhielt 1923 den Nobelpreis für “seine Arbeit über die elementare Ladung der Elektrizität und den photoelektrischen Effekt”.

Der photoelektrische Effekt erfordert Photonen mit Energien nahe null (bei negativer Elektronenaffinität) bis über 1 MeV für Kernelektronen in Elementen mit hoher Ordnungszahl. Die Emission von Leitungselektronen aus typischen Metallen erfordert gewöhnlich einige Elektronenvolt, die dem sichtbaren oder ultravioletten Licht mit kurzer Wellenlänge entsprechen. Die Untersuchung des photoelektrischen Effekts führte zu wichtigen Schritten beim Verständnis der Quantennatur von Licht und Elektronen und beeinflusste die Bildung des Konzepts der Welle-Teilchen-Dualität. Andere Phänomene, bei denen Licht die Bewegung von elektrischen Ladungen beeinflusst, umfassen den photoleitfähigen Effekt (auch bekannt als Photoleitfähigkeit oder Photoresistivität), den photovoltaischen Effekt und den photoelektrochemischen Effekt.

Photoemission kann aus jedem Material auftreten, aber es ist am leichtesten von Metallen oder anderen Leitern zu beobachten, da das Verfahren ein Ladungsungleichgewicht erzeugt, und wenn dieses Ladungsungleichgewicht nicht durch den Stromfluss (durch Leitfähigkeit) neutralisiert wird, erhöht sich die Potentialbarriere für Emissionen der Emissionsstrom hört auf. Es ist auch üblich, die emittierende Oberfläche in einem Vakuum zu haben, da Gase den Fluss von Photoelektronen behindern und es schwierig machen, sie zu beobachten. Zusätzlich wird die Energiebarriere für die Photoemission üblicherweise durch dünne Oxidschichten auf Metalloberflächen erhöht, wenn das Metall Sauerstoff ausgesetzt worden ist. Daher verwenden die meisten praktischen Experimente und Vorrichtungen, die auf dem photoelektrischen Effekt basieren, saubere Metalloberflächen im Vakuum.

Wenn das Photoelektron eher in einen Feststoff als in ein Vakuum emittiert wird, wird häufig der Ausdruck interne Photoemission verwendet, und die Emission in ein Vakuum wird als externe Photoemission unterschieden.

Emissionsmechanismus
Die Photonen eines Lichtstrahls haben eine charakteristische Energie proportional zur Frequenz des Lichts. Wenn in einem Photoemissions-Prozess ein Elektron in einem Material die Energie eines Photons absorbiert und mehr Energie aufnimmt als die Austrittsarbeit (die Elektronenbindungsenergie) des Materials, wird es ausgestoßen. Wenn die Photonenenergie zu niedrig ist, kann das Elektron dem Material nicht entkommen. Da eine Zunahme der Intensität von niederfrequentem Licht nur die Anzahl von niederenergetischen Photonen erhöht, die über ein gegebenes Zeitintervall gesendet werden, wird diese Änderung der Intensität kein einzelnes Photon mit genügend Energie erzeugen, um ein Elektron zu entfernen. Somit hängt die Energie der emittierten Elektronen nicht von der Intensität des einfallenden Lichts ab, sondern nur von der Energie (äquivalenten Frequenz) der einzelnen Photonen. Es ist eine Wechselwirkung zwischen dem einfallenden Photon und den äußersten Elektronen.

Elektronen können Energie von Photonen absorbieren, wenn sie bestrahlt werden, aber sie folgen normalerweise einem “Alles oder Nichts” -Prinzip. Die gesamte Energie eines Photons muss absorbiert und genutzt werden, um ein Elektron von der atomaren Bindung zu befreien, sonst wird die Energie wieder emittiert. Wenn die Photonenenergie absorbiert wird, befreit ein Teil der Energie das Elektron vom Atom, und der Rest trägt zur kinetischen Energie des Elektrons als freies Teilchen bei.

Experimentelle Beobachtungen der photoelektrischen Emission
Die Theorie des photoelektrischen Effekts muss die experimentellen Beobachtungen der Emission von Elektronen von einer beleuchteten Metalloberfläche erklären.

Für eine gegebene Metalloberfläche existiert eine bestimmte minimale Frequenz einfallender Strahlung, unter der keine Photoelektronen emittiert werden. Diese Frequenz wird als Grenzfrequenz bezeichnet. Durch Erhöhen der Frequenz des einfallenden Strahls erhöht sich die maximale kinetische Energie der emittierten Photoelektronen, wobei die Anzahl der einfallenden Photonen konstant gehalten wird (dies würde zu einem proportionalen Anstieg der Energie führen). Somit erhöht sich die Stoppspannung. Die Anzahl der Elektronen ändert sich auch aufgrund der Wahrscheinlichkeit, dass jedes Photon zu einem emittierten Elektron führt, eine Funktion der Photonenenergie. Wenn die Intensität der einfallenden Strahlung einer gegebenen Frequenz erhöht wird, hat dies keine Auswirkung auf die kinetische Energie jedes Photoelektrons.

Oberhalb der Grenzfrequenz hängt die maximale kinetische Energie des emittierten Photoelektrons von der Frequenz des einfallenden Lichts ab, ist jedoch unabhängig von der Intensität des einfallenden Lichts, solange dieses nicht zu hoch ist.

Für ein gegebenes Metall und die Frequenz einfallender Strahlung ist die Geschwindigkeit, mit der Photoelektronen ausgestoßen werden, direkt proportional zu der Intensität des einfallenden Lichts.Eine Erhöhung der Intensität des einfallenden Strahls (wobei die Frequenz konstant gehalten wird) erhöht die Größe des Photostroms, obwohl die Stoppspannung gleich bleibt.

Die Zeitverzögerung zwischen dem Einfall von Strahlung und der Emission eines Photoelektrons ist sehr gering, weniger als 10-9 Sekunden.

Die Richtung der Verteilung der emittierten Elektronen hat ihren Höhepunkt in der Polarisationsrichtung (der Richtung des elektrischen Feldes) des einfallenden Lichts, wenn es linear polarisiert ist.

Mathematische Beschreibung
Im Jahr 1905 schlug Einstein eine Erklärung für den photoelektrischen Effekt vor, wobei ein Konzept von Max Planck verwendet wurde, wonach Lichtwellen aus winzigen Bündeln oder Energiepaketen bestehen, die als Photonen oder Quanten bekannt sind.

Die maximale kinetische Energie  eines ausgestoßenen Elektrons ist gegeben durch

woher  ist die Planck-Konstante und  ist die Frequenz des einfallenden Photons. Der Begriff  ist die Arbeitsfunktion (manchmal bezeichnet mit  , oder  , die die minimale Energie liefert, die erforderlich ist, um ein delokalisiertes Elektron von der Oberfläche des Metalls zu entfernen. Die Arbeitsfunktion erfüllt


woher  ist die Grenzfrequenz für das Metall. Die maximale kinetische Energie eines ausgestoßenen Elektrons ist dann

Kinetische Energie ist positiv, also müssen wir haben  damit der photoelektrische Effekt auftritt.

Potenzial stoppen
Die Beziehung zwischen der Stromstärke und der angelegten Spannung veranschaulicht die Art des photoelektrischen Effekts. Zur Diskussion beleuchtet eine Lichtquelle eine Platte P und eine andere Plattenelektrode Q sammelt irgendwelche emittierten Elektronen. Wir variieren das Potential zwischen P und Q und messen den Strom, der in dem externen Stromkreis zwischen den zwei Platten fließt.

Wenn die Frequenz und die Intensität der einfallenden Strahlung fest sind, steigt der Photostrom allmählich mit einem Anstieg des positiven Potentials an der Kollektorelektrode an, bis alle emittierten Photoelektronen gesammelt sind. Der Photostrom erreicht einen Sättigungswert und erhöht sich bei einem Anstieg des positiven Potentials nicht weiter. Der Sättigungsstrom steigt mit der Zunahme der Lichtintensität. Es erhöht sich auch mit größeren Frequenzen aufgrund einer größeren Wahrscheinlichkeit der Elektronenemission, wenn Kollisionen mit Photonen höherer Energie auftreten.

Wenn wir ein negatives Potential an die Kollektorplatte Q bezüglich der Platte P anlegen und allmählich erhöhen, nimmt der Photostrom ab und wird bei einem bestimmten negativen Potential Null. Das negative Potential am Kollektor, bei dem der Photostrom Null wird, wird als Stopp-Potential oder Abschalt-Potential bezeichnet

ich. Für eine gegebene Frequenz einfallender Strahlung ist das Stopp-Potential unabhängig von seiner Intensität.

ii. Für eine gegebene Frequenz einfallender Strahlung wird das Stopp-Potential durch die maximale kinetische Energie bestimmt  der Photoelektronen, die emittiert werden. Wenn e die Ladung auf dem Elektron und ist  ist das Stopp-Potential, dann ist die Arbeit, die das Verzögerungspotential beim Stoppen des Elektrons leistet  , also haben wir

Erinnern

wir sehen, dass die Stoppspannung linear mit der Frequenz des Lichts variiert, aber hängt von der Art des Materials ab. Für ein bestimmtes Material gibt es eine Grenzfrequenz, die unabhängig von der Lichtintensität überschritten werden muss, um jegliche Elektronenemission zu beobachten.

Drei-Stufen-Modell
Im Röntgenbereich wird der photoelektrische Effekt in kristallinem Material oft in drei Schritte zerlegt:

Innerer photoelektrischer Effekt (siehe Photodiode unten [Klärung erforderlich]). Das zurückgelassene Loch kann einen Auger-Effekt hervorrufen, der selbst dann sichtbar ist, wenn das Elektron das Material nicht verlässt. In molekularen Festkörpern werden Phononen in diesem Schritt angeregt und können als Linien in der endgültigen Elektronenenergie sichtbar sein. Der innere Photoeffekt muss Dipol erlaubt sein [Klarstellung erforderlich] Die Übergangsregeln für Atome werden über das Tight-Binding-Modell auf den Kristall übertragen [Klärung erforderlich] Sie sind in der Geometrie Plasma-Oszillationen ähnlich, da sie transversal sein müssen.
Ballistischer Transport [Klärung benötigt] von der Hälfte der Elektronen an die Oberfläche. Einige Elektronen sind gestreut.
Elektronen treten an der Oberfläche aus dem Material aus.
Im Drei-Stufen-Modell kann ein Elektron mehrere Wege durch diese drei Schritte gehen. Alle Pfade können im Sinne der Pfadintegralformulierung stören. Für Oberflächenzustände und Moleküle ist das Drei-Stufen-Modell immer noch sinnvoll, da sogar die meisten Atome mehrere Elektronen haben, die das eine Elektron streuen können.

Geschichte
Wenn eine Oberfläche einer elektromagnetischen Strahlung oberhalb einer bestimmten Grenzfrequenz ausgesetzt wird (typischerweise sichtbares Licht für Alkalimetalle, nahes Ultraviolett für andere Metalle und extremes Ultraviolett für Nichtmetalle), wird die Strahlung absorbiert und Elektronen werden emittiert. Licht, und insbesondere ultraviolettes Licht, entlädt negativ elektrisierte Körper mit der Erzeugung von Strahlen der gleichen Art wie Kathodenstrahlen. Unter Umständen kann es Gase direkt ionisieren. Das erste dieser Phänomene wurde 1887 von Hertz und Hallwachs entdeckt. Der zweite wurde 1900 von Philipp Lenard bekannt gegeben.

Das ultraviolette Licht zur Erzeugung dieser Wirkungen kann aus einer Bogenlampe oder durch Verbrennen von Magnesium oder durch Funkenbildung mit einer Induktionsspule zwischen Zink- oder Cadmium-Anschlüssen erhalten werden, deren Licht sehr reich an ultravioletten Strahlen ist.Sonnenlicht ist nicht reich an ultravioletten Strahlen, da diese von der Atmosphäre absorbiert wurden, und es erzeugt keine fast so große Wirkung wie das Bogenlicht. Viele Substanzen außer Metallen entladen negative Elektrizität unter der Einwirkung von ultraviolettem Licht: Listen dieser Substanzen werden in Veröffentlichungen von GC Schmidt und O. Knoblauch gefunden.

19. Jahrhundert
Im Jahr 1839 entdeckte Alexandre Edmond Becquerel den photovoltaischen Effekt, während er die Wirkung von Licht auf elektrolytische Zellen untersuchte. Obwohl er dem photoelektrischen Effekt nicht ebenbürtig ist, haben seine Arbeiten zur Photovoltaik dazu beigetragen, eine starke Beziehung zwischen Licht und elektronischen Eigenschaften von Materialien zu zeigen. Im Jahr 1873 entdeckte Willoughby Smith die Photoleitfähigkeit in Selen, während er das Metall auf seine hohen Widerstandseigenschaften in Verbindung mit seiner Arbeit mit Seekabel untersucht.

Johann Elster (1854-1920) und Hans Geitel (1855-1923), Studenten in Heidelberg, entwickelten die ersten praktischen Photozellen, mit denen sich die Lichtintensität messen ließ. 458 Elster und Geitel hatten mit großem Erfolg die Effekte untersucht durch Licht auf elektrifizierten Körpern.

1887 beobachtete Heinrich Hertz den photoelektrischen Effekt und die Erzeugung und den Empfang elektromagnetischer Wellen. Er veröffentlichte diese Beobachtungen in der Zeitschrift Annalen der Physik. Sein Empfänger bestand aus einer Spule mit einer Funkenstrecke, in der bei der Detektion elektromagnetischer Wellen ein Funke zu sehen war. Er stellte das Gerät in eine dunkle Box, um den Funken besser sehen zu können. Er stellte jedoch fest, dass die maximale Funkenlänge in der Box reduziert war. Eine zwischen der Quelle elektromagnetischer Wellen und dem Empfänger angeordnete Glasplatte absorbierte ultraviolette Strahlung, die die Elektronen beim Springen über die Lücke unterstützte. Wenn sie entfernt wird, würde die Funkenlänge zunehmen. Er beobachtete keine Abnahme der Funkenlänge, als er das Glas durch Quarz ersetzte, da Quarz UV-Strahlung nicht absorbiert. Hertz schloss seine monatelange Untersuchung ab und berichtete über die erzielten Ergebnisse. Er hat die Untersuchung dieses Effektes nicht weiter verfolgt.

Die Entdeckung von Hertz im Jahr 1887, dass das Auftreten von ultraviolettem Licht auf einer Funkenstrecke den Durchgang des Funkens erleichterte, führte sofort zu einer Reihe von Untersuchungen von Hallwachs, Hoor, Righi und Stoletow über die Wirkung von Licht und besonders von Ultras – UV-Licht, auf geladenen Körpern. Es wurde durch diese Untersuchungen bewiesen, dass eine neu gereinigte Oberfläche von Zink, wenn sie mit negativer Elektrizität geladen ist, diese Ladung schnell verliert, wie klein auch sein mag, wenn ultraviolettes Licht auf die Oberfläche fällt;während, wenn die Oberfläche von Anfang an ungeladen ist, sie eine positive Ladung erhält, wenn sie dem Licht ausgesetzt wird, die negative Elektrisierung, die in das Gas ausgeht, von dem das Metall umgeben ist; Diese positive Elektrifizierung kann durch das Lenken eines starken Luftstoßes gegen die Oberfläche stark erhöht werden. Wenn jedoch die Zinkoberfläche positiv elektrisiert ist, erleidet sie keinen Ladungsverlust, wenn sie dem Licht ausgesetzt wird: Dieses Ergebnis wurde in Frage gestellt, aber eine sehr sorgfältige Untersuchung des Phänomens durch Elster und Geitel hat gezeigt, daß der unter gewissen Umständen beobachtete Verlust darauf zurückzuführen ist die Entladung durch das Licht, das von der Zinkoberfläche der negativen Elektrifizierung auf benachbarten Leitern reflektiert wird, induziert durch die positive Ladung, die negative Elektrizität unter dem Einfluss des elektrischen Feldes, das sich zu der positiv elektrifizierten Oberfläche bewegt.

20. Jahrhundert
Die Entdeckung der Ionisierung von Gasen durch ultraviolettes Licht wurde 1900 von Philipp Lenard gemacht. Da der Effekt über mehrere Zentimeter Luft erzeugt wurde und sehr große positive und kleine negative Ionen erzeugte, war es natürlich, das Phänomen zu interpretieren JJ Thomson, als Hertz-Effekt auf die im Gas vorhandenen festen oder flüssigen Partikel.

Im Jahr 1902 beobachtete Lenard, dass die Energie der einzelnen emittierten Elektronen mit der Frequenz (die mit der Farbe zusammenhängt) des Lichts zunimmt.

Dies schien der Maxwellschen Wellentheorie des Lichts zu widersprechen, die voraussagte, dass die Elektronenenergie proportional zur Intensität der Strahlung wäre.

Lenard beobachtete die Variation der Elektronenenergie mit der Lichtfrequenz unter Verwendung einer starken elektrischen Bogenlampe, die es ihm ermöglichte, große Änderungen der Intensität zu untersuchen, und die genügend Kraft hatte, um die Variation des Potentials mit Lichtfrequenz zu untersuchen. Sein Experiment misst direkt Potentiale, nicht kinetische Elektronenenergie: Er fand die Elektronenenergie, indem er sie auf das maximale Stopp-Potential (Spannung) in einem Fototubus bezieht. Er fand heraus, dass die berechnete maximale kinetische Energie der Elektronen durch die Frequenz des Lichts bestimmt wird. Zum Beispiel führt eine Erhöhung der Frequenz zu einem Anstieg der maximalen kinetischen Energie, die für ein Elektron bei der Freisetzung berechnet wird – ultraviolette Strahlung würde ein höheres angelegtes Stopp-Potential erfordern, um den Strom in einem Fototubus zu stoppen als blaues Licht. Die Ergebnisse von Lenard waren jedoch aufgrund der Schwierigkeit bei der Durchführung der Experimente qualitativ und nicht quantitativ: Die Experimente mussten an frisch geschnittenem Metall durchgeführt werden, so dass das reine Metall beobachtet wurde, aber es oxidierte selbst in den partiellen Vakua innerhalb weniger Minuten benutzt. Der von der Oberfläche emittierte Strom wurde durch die Intensität oder Helligkeit des Lichts bestimmt: Die Verdoppelung der Intensität des Lichts verdoppelte die Anzahl der von der Oberfläche emittierten Elektronen.

Die Forschungen von Langevin und von Eugene Bloch haben gezeigt, dass der größte Teil des Lenard-Effekts sicherlich auf diesen “Hertz-Effekt” zurückzuführen ist. Der Lenard-Effekt auf das Gas [Klärung benötigt] selbst existiert dennoch. Sie wurde von JJ Thomson und dann noch entschiedener von Frederic Palmer Jr. untersucht und wurde sehr unterschiedlich untersucht und zeigte ganz andere Eigenschaften als die, die Lenard ihm zuerst zuschrieb.

Im Jahr 1905 löste Albert Einstein dieses scheinbare Paradoxon, indem er Licht als aus diskreten Quanten bestehend, die jetzt Photonen genannt werden, anstatt kontinuierliche Wellen beschrieb.Basierend auf Max Plancks Theorie der Schwarzkörperstrahlung theoretisierte Einstein, dass die Energie in jedem Lichtquantum gleich der Frequenz multipliziert mit einer Konstanten ist, die später als Planck’sche Konstante bezeichnet wird. Ein Photon oberhalb einer Schwellenfrequenz hat die erforderliche Energie, um ein einzelnes Elektron auszustoßen, wodurch der beobachtete Effekt erzeugt wird. Diese Entdeckung führte zur Quantenrevolution in der Physik und verhalf Einstein 1921 zum Nobelpreis für Physik. Durch Welle-Teilchen-Dualität kann der Effekt rein wellenförmig, wenn auch nicht so bequem analysiert werden.

Albert Einsteins mathematische Beschreibung, wie der photoelektrische Effekt durch die Absorption von Lichtquanten verursacht wurde, wurde in einem seiner Artikel von 1905 mit dem Titel “Auf einem heuristischen Standpunkt über die Erzeugung und Umwandlung von Licht” beschrieben. Dieser Aufsatz schlug die einfache Beschreibung von “Lichtquanten” oder Photonen vor und zeigte, wie sie solche Phänomene wie den photoelektrischen Effekt erklärten. Seine einfache Erklärung hinsichtlich der Absorption diskreter Lichtquanten erklärte die Merkmale des Phänomens und die charakteristische Frequenz.

Der photoelektrische Effekt half, das damals aufkommende Konzept der Welle-Teilchen-Dualität in der Natur des Lichts voranzutreiben. Das Licht besitzt gleichzeitig die Eigenschaften von Wellen und Teilchen, die sich je nach den Umständen manifestieren. Der Effekt war im Hinblick auf die klassische Wellenbeschreibung des Lichts nicht zu verstehen, da die Energie der emittierten Elektronen nicht von der Intensität der einfallenden Strahlung abhängt. Die klassische Theorie sagte voraus, dass die Elektronen über einen gewissen Zeitraum Energie “sammeln” und dann emittiert werden.

Verwendet und Effekte

Photomultiplier
Dies sind extrem lichtempfindliche Vakuumröhren mit einer Photokathode, die auf einen Teil (ein Ende oder eine Seite) der Innenseite der Umhüllung aufgetragen sind. Die Photokathode enthält Kombinationen von Materialien wie Cäsium, Rubidium und Antimon, die speziell ausgewählt sind, um eine niedrige Austrittsarbeit zu liefern, so dass die Photokathode, wenn sie sogar durch sehr geringe Lichtstärken beleuchtet wird, leicht Elektronen freisetzt. Durch eine Reihe von Elektroden (Dynoden) mit immer höheren Potentialen werden diese Elektronen beschleunigt und ihre Anzahl durch Sekundäremission beträchtlich erhöht, um einen leicht detektierbaren Ausgangsstrom zu liefern. Photomultiplier werden immer noch überall dort eingesetzt, wo geringe Lichtstärken detektiert werden müssen.

Bildsensoren
Videokamera-Röhren in den frühen Tagen des Fernsehens verwendeten den photoelektrischen Effekt, zum Beispiel benutzte Philo Farnsworths “Bild-Dissektor” einen durch den photoelektrischen Effekt geladenen Schirm, um ein optisches Bild in ein abgetastetes elektronisches Signal umzuwandeln.

Goldblatt-Elektroskop
Goldblatt-Elektroskope sind zur Detektion von statischer Elektrizität konzipiert. Die auf die Metallkappe aufgebrachte Ladung breitet sich auf den Schaft und das Goldblatt des Elektroskops aus. Weil sie dann die gleiche Ladung haben, stoßen sich Stängel und Blatt gegenseitig ab. Dies führt dazu, dass sich das Blatt vom Schaft weg biegt.

Ein Elektroskop ist ein wichtiges Werkzeug zur Veranschaulichung des photoelektrischen Effekts.Zum Beispiel, wenn das Elektroskop durchgängig negativ geladen ist, gibt es einen Überschuss an Elektronen und das Blatt ist vom Stamm getrennt. Wenn hochfrequentes Licht auf die Kappe scheint, entlädt sich das Elektroskop und das Blatt fällt schlaff. Dies liegt daran, dass die Frequenz des auf die Kappe auftreffenden Lichts oberhalb der Schwellenfrequenz der Kappe liegt. Die Photonen im Licht haben genug Energie, um Elektronen von der Kappe freizusetzen, wodurch ihre negative Ladung reduziert wird. Dies wird ein negativ geladenes Elektroskop entladen und ferner ein positives Elektroskop laden. Wenn jedoch die auf die Metallkappe treffende elektromagnetische Strahlung keine ausreichend hohe Frequenz aufweist (ihre Frequenz liegt unter dem Schwellenwert für die Kappe), wird sich das Blatt niemals entladen, unabhängig davon, wie lange das niederfrequente Licht an der Kappe leuchtet Deckel.

Photoelektronenspektroskopie
Da die Energie der emittierten Photoelektronen genau der Energie des einfallenden Photons minus der Austrittsarbeit oder der Bindungsenergie des Materials entspricht, kann die Austrittsarbeit einer Probe bestimmt werden, indem sie mit einer monochromatischen Röntgenquelle oder UV-Quelle beschossen und gemessen wird kinetische Energieverteilung der emittierten Elektronen.

Photoelektronenspektroskopie wird üblicherweise in einer Hochvakuumumgebung durchgeführt, da die Elektronen durch Gasmoleküle gestreut würden, wenn sie vorhanden wären. Einige Unternehmen verkaufen jedoch Produkte, die Photoemission in der Luft ermöglichen. Die Lichtquelle kann ein Laser, eine Entladungsröhre oder eine Synchrotronstrahlungsquelle sein.

Der konzentrische hemisphärische Analysator ist ein typischer Elektronenenergieanalysator und verwendet ein elektrisches Feld, um die Richtungen einfallender Elektronen in Abhängigkeit von ihren kinetischen Energien zu ändern. Für jedes Element und jeden Kern (Atomorbital) gibt es eine andere Bindungsenergie. Die vielen Elektronen, die von jeder dieser Kombinationen erzeugt werden, erscheinen als Spitzen in der Analysatorausgabe, und diese können verwendet werden, um die Elementzusammensetzung der Probe zu bestimmen.

Raumfahrzeug
Der photoelektrische Effekt bewirkt, dass Raumfahrzeuge, die dem Sonnenlicht ausgesetzt sind, eine positive Ladung entwickeln. Dies kann ein Hauptproblem sein, da andere Teile des Raumfahrzeugs im Schatten sind, was dazu führen wird, dass das Raumfahrzeug eine negative Ladung von nahen Plasmen entwickelt. Die Unwucht kann durch empfindliche elektrische Komponenten entladen werden. Die statische Ladung, die durch den photoelektrischen Effekt erzeugt wird, ist selbstlimitierend, weil ein höher geladenes Objekt seine Elektronen nicht so leicht aufgibt wie ein niedrigeres geladenes Objekt.

Mondstaub
Licht von der Sonne, die Mondstaub trifft, verursacht, dass es mit dem photoelektrischen Effekt aufgeladen wird. Der geladene Staub stößt sich dann ab und hebt sich durch elektrostatische Levitation von der Oberfläche des Mondes ab. Dies manifestiert sich fast wie eine “Staubatmosphäre”, sichtbar als ein dünner Schleier und verschwommenes Fernsehen und sichtbar als ein schwaches Leuchten, nachdem die Sonne untergegangen ist. Dies wurde erstmals von den Surveyor Programm-Sonden in den 1960er Jahren fotografiert. Man nimmt an, dass die kleinsten Teilchen kilometerweit von der Oberfläche abgestoßen werden und dass sich die Teilchen in “Fontänen” bewegen, während sie sich aufladen und entladen.

Nachtsichtgeräte
Photonen, die in einer Bildverstärkerröhre auf einen dünnen Film aus Alkalimetall- oder Halbleitermaterial wie Galliumarsenid treffen, verursachen den Ausstoß von Photoelektronen aufgrund des photoelektrischen Effekts. Diese werden durch ein elektrostatisches Feld beschleunigt, wo sie auf einen mit Phosphor beschichteten Schirm treffen und die Elektronen zurück in Photonen verwandeln. Die Verstärkung des Signals erfolgt entweder durch Beschleunigung der Elektronen oder durch Erhöhung der Anzahl der Elektronen durch Sekundäremissionen, beispielsweise mit einer Mikrokanalplatte. Manchmal wird eine Kombination beider Methoden verwendet. Zusätzliche kinetische Energie ist erforderlich, um ein Elektron aus dem Leitungsband in das Vakuumniveau zu bewegen. Dies ist als die Elektronenaffinität der Fotokathode bekannt und ist eine andere Barriere für die Photoemission als die verbotene Bande, die durch das Bandlückenmodell erklärt wird. Einige Materialien wie Galliumarsenid haben eine effektive Elektronenaffinität, die unterhalb des Leitungsbandes liegt. In diesen Materialien sind Elektronen, die sich zum Leitungsband bewegen, alle genug Energie, um von dem Material emittiert zu werden, und daher kann der Film, der Photonen absorbiert, ziemlich dick sein. Diese Materialien sind als Materialien mit negativer Elektronenaffinität bekannt.

Kreuzung
Der photoelektrische Effekt ist ein Wechselwirkungsmechanismus zwischen Photonen und Atomen.Es ist eine von 12 theoretisch möglichen Wechselwirkungen.

Bei den hohen Photonenenergien, die mit der Elektronenruheenergie von 511 keV vergleichbar sind, kann Compton-Streuung, ein anderer Prozess, stattfinden. Über zwei Mal kann diese (1,022 MeV) Paarproduktion stattfinden. Compton-Streuung und -Paarproduktion sind Beispiele für zwei andere konkurrierende Mechanismen.

In der Tat, auch wenn der photoelektrische Effekt die bevorzugte Reaktion für eine bestimmte Einzelphotonen-Wechselwirkung ist, unterliegt das Ergebnis auch statistischen Prozessen und ist nicht garantiert, obwohl das Photon sicher verschwunden ist und ein gebundenes Elektron angeregt wurde (normalerweise K oder L Schalenelektronen bei Gammastrahlenenergien). Die Wahrscheinlichkeit des Auftretens des photoelektrischen Effekts wird durch den Wirkungsquerschnitt σ gemessen. Es wurde gefunden, dass dies eine Funktion der Atomzahl des Zielatoms und der Photonenenergie ist. Eine grobe Näherung für Photonenenergien oberhalb der höchsten atomaren Bindungsenergie ist gegeben durch:

Hier ist Z die Ordnungszahl und n ist eine Zahl, die zwischen 4 und 5 variiert. (Bei niedrigeren Photonenenergien erscheint eine charakteristische Struktur mit Kanten, K-Kante, L-Kanten, M-Kanten usw.) Die naheliegende Interpretation folgt dem schnellen photoelektrischen Effekt nimmt im Bereich der Gammastrahlung mit zunehmender Photonenenergie an Geringfügigkeit ab, und der photoelektrische Effekt nimmt mit der Ordnungszahl steil zu. Die Folge ist, dass High-Z-Materialien gute Gammastrahlungsschilde bilden, was der Hauptgrund dafür ist, dass Blei (Z = 82) ein bevorzugter und allgegenwärtiger Gammastrahlungsschutz ist.