Austrittsarbeit

Die Austrittsarbeit ist die kleinste Energie, die benötigt wird, um ein Elektron aus einem ungeladenen Festkörper zu lösen. In der Regel wird die Austrittsarbeit in Elektronenvolt angegeben. Bedeutend ist die Austrittsarbeit unter anderem beim äußeren photoelektrischen Effekt, bei dem Elektronen durch Licht "herausgeschlagen" werden.

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Die Austrittsarbeit ist von der Elektronenbindungsenergie zu unterscheiden, die mit der Ionisationsenergie eines Atoms oder Moleküls vergleichbar ist: Die Elektronenbindungsenergie ist für Elektronen aus den verschieden Elektronenschalen unterschiedlich. Möchte man ein Elektron aus einer tieferen (energetisch niedrigeren Schale) freisetzen, muss mehr Energie aufgebracht werden. Die Ionisationsenergie hingegen bezieht sich nur auf die minimale Energie, die aufgebracht werden muss, um irgendein Elektron aus seiner Bindung zu lösen. Die Austrittsarbeit ist aber die minimale Energie, also die Energie beim Herausholen eines Elektrons vom Ferminiveau.

Die Austrittsarbeit ist weiterhin abhängig von der Art des Metalls bzw. Festkörpers (Stoffes), aus dem Elektronen ausgelöst werden. Sie ist relativ klein für Rubidium (2,13 eV), Cäsium (2,14 eV), Kalium (2,25 eV), Natrium (2,28 eV) oder Barium (2,52 eV), während sie z. B. für Aluminium (4,20 eV), Zink (4,34 eV) oder Platin (5,66 eV) wesentlich höher ist ^[1].

Daher können durch den Photoeffekt z. B. Elektronen aus Cäsium bereits durch UV-armes Tageslicht oder UV-loses Glühlicht herausgelöst werden, während bei Zink das energiereichere UV-Licht benötigt wird. Die ausgelösten Elektronen besitzen eine bestimmte kinetische Energie:

W_Licht = W_kin + W_A.

Die Messung der Austrittsarbeit mit Hilfe des Photoeffekts wird meist über die Messung der kinetischen Energie der freigesetzten Elektronen realisiert. Diese ergibt sich aus der Differenz der eingebrachten Energie (meist die Energie des eingestrahlten Photons) und der Austrittsarbeit. Wenn man also die Bewegungsenergie der Elektronen gemessen hat (zum Beispiel durch die Ablenkung in einem Magnetfeld, oder durch den Stromfluss), und die benutzte Wellenlänge durch Filter oder Lasereigenschaften bekannt ist, kann man die Austrittsarbeit als Differenz berechnen:

W_A = E_Photon − E_Elektron

Unterschiedliche Austrittsarbeiten zweier Metalle führen zu einem Kontaktpotential, das daher zur Messung von relativen Austrittsarbeiten genutzt werden kann. Bedeutend ist die Messung mit Hilfe einer Kelvin-Sonde, auch Kelvin-Schwinger genannt.

Quellen

1. ↑ Horst Kuchling: Taschenbuch der Physik. 11. Auflage 1988, ISBN 3-8171-1020-0, S. 635
2. ↑ Online-Lexika von Wissenschaft-Online.de
3. ↑ Online-Wiki am DESY
4. ↑ Skript Einführung in die Plasmaphysik