Grundversuch (Hallwachs 1888):

Eine negativ geladene (frisch gesäuberte) Zinkplatte entlädt sich, wenn sie mit UV-Licht bestrahlt wird. In der Regel wird Hochspannung angelegt zwischen der Zinkplatte (-) und einer weiteren Elektrode.

Verbesserter Versuch:

In einer Vakuum-Fotozelle^**)  ist eine Fotokathode aus einem Alkali-Metall (K, Cs, Rb) und eine ringförmige Anode eingeschmolzen. Beleuchtet man die Fotokathode mit sichtbarem Licht einer bestimmten Mindestfrequenz, dann fließt außerhalb der Fotozelle ein Fotostrom von der Kathode zur Anode. Dieser wird im Inneren der Fotozelle transportiert von Photo-Elektronen. Man beobachtet einige Besonderheiten:

(1) Der Fotostrom setzt sofort mit dem Beleuchten der Fotokathode ein.

(2) Die Lichtleistung hat keinen Einfluss auf die Energie der Photo-Elektronen, wohl aber auf die Zahl der Photo-Elektronen, die pro Zeiteinheit ausgelöst werden.

(3) Der Foto-Effekt hängt von der Frequenz des Lichts ab. Unterhalb einer Grenzfrequenz kann auch bei noch so großer Lichtleistung kein Foto-Effekt stattfinden.

(4) Es gibt einen linearen Zusammenhang zwischen der kinetischen Energie der Photo-Elektronen und der Lichtfrequenz.

Mit der Vorstellung vom Licht als einer klassischen elektromagnetischen Welle allein ließen sich diese Eigenheiten nicht erklären. ^***)

(1) Danach sollte es Minuten oder gar Stunden dauern, bis ein Atom genügend Energie aufgesammelt hätte, um ein Elektron abzulösen.^*)

(2) Danach ist es nicht verständlich, dass durch eine vergrößerte Amplitude der elektrischen Feldstärke in der Lichtwelle Elektronen nicht stärker beschleunigt werden sollten, was ihre kinetische Energie erhöhen müsste.

(3) Danach ist nicht verständlich, dass der Foto-Effekt von der Frequenz des Lichts abhängen sollte, speziell dass es eine untere Grenzfrequenz geben sollte.

^*) Genau genommen werden hier Äpfel und Birnen miteinander verglichen: Die klassischen Überlegungen, die zu diesen langen Zeiten führen, fragen danach, wie lange es dauert, bis alle Atome genügend Energie aufgesammelt hätten, bis alle Atome ein Elektron ablösen können; alle Atome sind ja gleichberechtigt und werden von der elektromagnetischen Welle in gleicher Weise erfasst. Das Experiment macht aber eine Aussage darüber, wie lange es dauert, bis irgend ein Elektron abgelöst wird.

Einstein konnte mit seiner Lichtquantenhypothese die scheinbaren Widersprüche klären:

(1) Ein Photo-Elektron wird abgelöst, wenn es von einem Photon zufällig "getroffen" wird. Dieses stellt dann "schlagartig" seine ganze Energie zur Verfügung, die bei genügender Größe ausreicht, um ein Elektron abzulösen.

(2) Je höher die Lichtleistung bei einer bestimmten Lichtwellenlänge, desto größer ist die Zahl der Photonen gleicher Energie und damit auch die Zahl der ausgelösten Photo-Elektronen.

(3) Die Einstein-Gleichung des Foto-Effekts        E_ph = W + E_kin,e      lässt sich als eine Form des Energieerhaltungssatzes deuten, wenn man E_ph = h·f  als Energie des Photons auffasst: Die Energie des Photons  E_ph = h·f  wird dazu benutzt, um a) ein Photo-Elektron abzulösen (W) und b) auf die kinetische  Energie des ausgelösten Photo-Elektrons zu beschleunigen. W ist die so genannte Ablösearbeit. Das erklärt den linearen Zusammenhang zwischen Lichtfrequenz f und kinetischer Energie der Photo-Elektronen E_kin,e.

(4) Unterhalb einer Grenzfrequenz f_Grenz  reicht die Photonen-Energie h·f nicht mehr aus, ein Elektron abzulösen. Dann kann kein Foto-Effekt stattfinden.

^**) Die Vakuum-Fotozelle hat folgende Vorteile: Man braucht keine Hochspannung zwischen Photo-Kathode und Anode, weil zwischen beiden keine Luftmoleküle vorhanden sind, die den Austritt der Photo-Elektronen verhindern könnten. Der Foto-Effekt findet also ohne Aufladung bzw. Saugspannung statt. Man kann sogar eine Gegenspannung anlegen (Kathode +; Anode -), die dafür sorgt, dass evtl. nur noch die schnellsten Photo-Elektronen zur Anode gelangen können. Wegen des Vakuums kann man auch leicht oxidierbare Metalle wie die Alkali-Metalle für das Kathoden-Material verwenden. Bei ihnen ist die Austrittsarbeit so gering, dass der Foto-Effekt bereits mit sichtbarem Licht, und nicht erst mit UV-Licht funktioniert.

Für die Schule wird auf die außerordentlich genaue Auswertungsmethode (Wurzelmethode) zur Ermittlung des Planck'schen Wirkungsquants h und ihre Problematik hingewiesen.

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^***) Dennoch legt der Fotoeffekt genauso wie der Compton-Effekt die Existenz von Photonen nahe, beweist sie aber nicht. Das gelingt erst mit dem GRA-Experiment.

Es gibt eine alternative Erklärung für den Fotoeffekt, die das elektromagnetische Feld klassisch behandelt, aber die Wechselwirkung mit den Atomen, aus denen die Ablösung erfolgt, entsprechend der Quantenphysik. Insofern ist der Fotoeffekt kein Beweis für die "Quantennatur" des Lichts.

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