Photoeffekt

Beim Photoeffekt wird die Energie eines Photons vollständig auf ein Elektron übertragen. Ein Teil der Energie wird benötigt, um das Elektron aus seiner Bindung zu lösen, der restliche Teil erscheint als kinetische Energie des emittierten Elektrons. Durch das Entfernen des Elektrons entsteht eine Lücke in einer inneren Elektronenschale. Diese wird durch ein Elektron aus einer höheren Schale aufgefüllt. Die dabei frei werdende Energie kann als charakteristische Röntgenstrahlung oder durch Emission eines Auger-Elektrons abgegeben werden. Der Zusammenhang wird durch die Einstein-Gleichung des Photoeffekts beschrieben:

$${\displaystyle E_{\gamma }=E_{\text{Bindung}}+E_{\text{kin}}}$$

• ${\displaystyle E_{\gamma }}$ = Energie des Photons
• ${\displaystyle E_{\text{Bindung}}}$ = Bindungsenergie des Elektrons
• ${\displaystyle E_{\text{kin}}}$ = kinetische Energie des ausgelösten Elektrons

Der Photoeffekt lieferte einen wichtigen experimentellen Nachweis für die Quantennatur des Lichts.

Man unterscheidet zwei Formen des Photoeffekts:

• Äußerer Photoeffekt (Photoemission): Das Elektron verlässt das Material vollständig. Dieser Effekt tritt beispielsweise an Metalloberflächen auf und wird in Photokathoden und Photomultipliern genutzt.
• Innerer Photoeffekt: Ein Elektron wird innerhalb eines Festkörpers aus seiner Bindung gelöst, verbleibt jedoch im Material und kann dort zur elektrischen Leitfähigkeit beitragen. Dieser Effekt spielt eine wichtige Rolle in Halbleiterdetektoren und Photodioden.

Der häufig im Zusammenhang genannte Auger-Effekt ist kein Photoeffekt, sondern ein nachfolgender Relaxationsprozess nach der Ionisation einer inneren Elektronenschale.

In der Röntgenphysik bezeichnet der Photoeffekt die vollständige Absorption eines Röntgenphotons durch ein Elektron der Atomhülle. Das Photon überträgt seine gesamte Energie auf das Elektron, das als Photoelektron aus dem Atom herausgelöst wird. Der Photoeffekt ist einer der wichtigsten Wechselwirkungsmechanismen von Röntgenstrahlung mit Materie und spielt insbesondere bei niedrigeren Photonenergien und Materialien mit hoher Ordnungszahl eine wichtige Rolle. Die Wahrscheinlichkeit des Photoeffekts hängt stark von der Ordnungszahl des absorbierenden Materials und von der Photonenergie ab.

$${\displaystyle \sigma \propto {\frac {Z^{n}}{E^{3}}}}$$

• ${\displaystyle \sigma }$ = Wirkungsquerschnitt des Photoeffekts
• ${\displaystyle Z}$ = Ordnungszahl des absorbierenden Materials
• ${\displaystyle E}$ = Photonenergie der einfallenden Röntgenstrahlung
• n ≈ 4-5

Diese Beziehung zeigt, dass der Photoeffekt besonders häufig in Materialien mit hoher Ordnungszahl und bei niedrigen Photonenergien auftritt. Diese Abhängigkeit ist eine wichtige Grundlage des Röntgenkontrasts in der Projektionsradiographie. Da beispielsweise Knochen Elemente mit höherer Ordnungszahl enthalten als Weichgewebe, wird Röntgenstrahlung dort stärker absorbiert, wodurch der typische Bildkontrast entsteht. Da die Wahrscheinlichkeit des Photoeffekts mit steigender Photonenergie stark abnimmt, werden niederenergetische Photonen im Gewebe bevorzugt absorbiert. Dadurch verschiebt sich das Energiespektrum der verbleibenden Strahlung zu höheren Energien, ein Effekt, der als Strahlaufhärtung bezeichnet wird.

Der Photoeffekt spielt außerdem eine wichtige Rolle bei der Detektion von Röntgenstrahlung. In vielen Röntgendetektoren wird ein Photon im Detektormaterial durch den Photoeffekt absorbiert. Das entstehende Photoelektron erzeugt durch nachfolgende Ionisationsprozesse Ladungsträger, die als elektrisches Signal registriert werden. Auch im Strahlenschutz ist der Photoeffekt relevant. Materialien mit hoher Ordnungszahl, wie z.B. Blei, absorbieren Röntgenstrahlung besonders effektiv. Daher werden solche Materialien zur Abschirmung von Röntgenstrahlung und Streustrahlung in der radiologischen Diagnostik verwendet.

Im typischen Energiebereich der Röntgendiagnostik trägt der Photoeffekt wesentlich zum Bildkontrast bei, da seine Wahrscheinlichkeit stark von der Ordnungszahl des Materials abhängt. Des Weiteren konkurriert der Photoeffekt vor allem mit der Compton-Streuung, die weniger zum Bildkontrast beiträgt.

Der Photoeffekt wurde 1887 von Heinrich Hertz erstmals experimentell beobachtet. Eine theoretische Erklärung gelang 1905 Albert Einstein, der zeigte, dass Licht aus diskreten Energiequanten (Photonen) besteht. Für diese Arbeit erhielt Einstein 1921 den Nobelpreis für Physik.

• Wikipedia – Photoelektrischer Effekt, abgerufen am 11.12.2024
• Lexikon der Physik – Photoeffekt, abgerufen am 11.12.2024
• Medizinphysik Wiki – Wechselwirkung der Materie, abgerufen am 11.12.2024

Bijan Fink

Peer reviewed am 09.03.2026 von Bijan Fink