Abitur - Grundkurs Physik. Sachsen-Anhalt 2008

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1 bitur - Grundkurs Physik Sachsen-nhalt 008 Thea G1 Äußerer lichtelektrischer ffekt 1. Grundlagen In eine ufsatz it de Titel Über die Strahlung des ichtbogens schrieb Wilhel Hallwachs nde des 19. Jahrhunderts über xperiente it bestrahlten Metallplatten. I Jahr 1887 wurde das klassische und auch nach ih benannte xperient zu äußeren lichtelektrischen ffekt durchgeführt. r bestrahlte dabei eine kurz zuvor geladene polierte Zinkplatte it icht und beobachtete ein angeschlossenes, gut geerdetes lektroskop (Bild 1) inige xperiente zu äußeren lichtelektrischen ffekt werden von zwei Schülern an eine Projekttag in abgewandelter For noch einal durchgeführt. Vorher schreiben sie sich die Durchführungen von sechs Teilexperienten auf. (a) Die Zinkplatte wird negativ aufgeladen und anschließend it de icht einer handelsüblichen Infrarotlape bestrahlt. (b) Die Zinkplatte wird negativ aufgeladen und anschließend it grüne Filterlicht bestrahlt. (c) Die Zinkplatte wird negativ aufgeladen und anschließend it de icht einer Quecksilberhochdrucklape bestrahlt, wobei sich eine Glasplatte zwischen ape und Platte befindet. (d) Das Teilexperient (b) wird wiederholt, aber der bstand zwischen ape und Zinkplatte wird deutlich vergrößert. (e) Die Zinkplatte wird positiv aufgeladen und anschließend it de icht einer Quecksilberhochdrucklape bestrahlt. Notieren Sie die zu erwartenden Beobachtungen a lektroskop für die einzelnen Teilexperiente. Begründen Sie Ihre ussagen ithilfe des äußeren lichtelektrischen ffekts. 1. Zur genaueren Untersuchung des Fotoeffektes werden u. a. Vakuufotozellen eingesetzt. s soll davon ausgegangen werden, dass bei den xperienten onochroatisches icht verwendet wird. Beschreiben Sie anhand einer Skizze den ufbau, die Durchführung und die uswertung eines xperients, it welche die etische nergie der schnellsten Fotoelektronen bestit werden kann. 1.3 Die Katode einer Vakuufotozelle ist it Kaliu bedapft ( W,0eV dung eines Filters wird diese Katode it onochroatische icht der Wellenlänge ). Unter Verwen- 400 n bestrahlt. Berechnen Sie die etische nergie und die Geschwindigkeit der energiereichsten Fotoelektronen.. nwendungen In eine anderen xperient wird eine evakuierte Röhre (Bild ) für weitere Untersuchungen zu Fotoeffekt genutzt. Hierbei trifft onochroatisches icht hoher Intensität auf die Fotokatode. in Teil der freigesetzten Fotoelektronen gelangt über zwei ochblenden in ein hoogenes Magnetfeld der Flussdichte B und wird auf de Schir sichtbar. Dieser ist s = 4,0 c von der Mittelebene entfernt. Die für die auf de Schir auftreffenden lektronen eingezeichneten Spuren sind in der Realität nicht sichtbar. Das Bild auf de Schir ist eine inie, deren änge von der Farbe des einfallenden ichtes abhängig ist. bitur-ph-008-gk-g1.doc 1/8

2 Quarzglasfenster onochroatisches icht evakuierter Glaskolben hoogenes Magnetfeld B Fotokatode ochblenden lektronenspuren s Schir Bild auf de Schir (Zeichnung nicht aßstabsgerecht) Bild.1 rklären Sie das Zustandekoen der inie auf de Schir.. Sind die agnetische Flussdichte B und der Radius rax des äußeren Kreises der lektronenspur bekannt, und werden die Masse sowie die adung e der Fotoelektronen als konstant vorausgesetzt, so kann daraus die axiale etische nergie der Fotoelektronen it der Gleichung e B rax, ax berechnet werden. eiten Sie diese Gleichung her. 5.3 Bei einer konkreten Versuchsreihe wird it einer Flussdichte von B 8,0 10 T gearbeitet. Die zu vorgegebenen Frequenzen f experientell erittelten ängen sind in der nachfolgenden Tabelle zusaengestellt. 14 f in 10 Hz 6,8 7,1 7,4 7,7 in c 1,5,4 3,0 3,4 Berechnen Sie für die einzelnen Frequenzen die etischen nergien der schnellsten Fotoelektronen. Stellen Sie die Werte in eine, ax (f) - Diagra graphisch dar. Bestien Sie die Grenzfrequenz, die ustrittsarbeit für die verwendete Fotokatode und das Planck sche Wirkungsquantu. (rgebnis zur Kontrolle: W,5 ev).4 ntscheiden Sie, wie sich die änge des Bildes auf de Schir verändern würde, wenn an bei ein und derselben ichtfarbe die Flussdichte bei Benutzung der oben beschriebenen Röhre verkleinern würde Begründen Sie Ihre ntscheidungen. bitur-ph-008-gk-g1.doc /8

3 ösung: 1 Grundlagen 1.1 ntscheidung über Fotoeission eigentlich nur nach Bestiung der Grenzwellenlänge bei Zink öglich: Hinweis: Matheatische bhängigkeiten (nach Besprechung) nicht verlangt! Variante 1: Mit Berechnung der Grenzwellenlänge (axiale Wellenlänge) c W h fg it fg (a) (b) (c) (d) (e) W h c G G h c 6,6610 J s 310 s 7 G, ,6 n 19 W 4, 71,6010 s V rst bei einer Wellenlänge 90,6 n tritt bei Zink eine Fotoeission auf. zu erwartende Beobachtung Begründung Infrarotes icht besitzt Wellenlängen 780 n. a lektroskop Wellengen oberhalb der Grenzwellenlänge nergie des ichtes reicht für Fotoeission nicht aus. grünes icht besitzt Wellenlängen 490 n 570 n. a lektroskop Wellengen oberhalb der Grenzwellenlänge nergie des ichtes reicht für Fotoeission nicht aus. Glasplatte absorbiert energiereiche ultraviolette Strah- a lektroskop lung. oder Der durchgehende ichtanteil enthält nur noch Photonen Zeigerausschlag des lektroskops geringer nergie. geht zurück Bei genügend dünner Glasplatte wird die nergie der ultravioletten Photonen nur teilweise absorbiert, sodass noch ein Teil die Glasplatte durchdringt. Zeigerausschlag des lektroskops geht zurück keine Veränderung a lektroskop Zeigerausschlag a lektroskop nit zu s werden Fotoelektronen eittiert. Durch Vergrößerung des bstandes zwischen ichtquelle und Zinkplatte wird die Intensität des auf der Platte auftreffenden ichtes gegenüber verindert. s werden wegen der unverinderten nergie der ultravioletten Photonen lektronen eittiert. Bei positiv geladener Zinkplatte herrscht ein lektronenangel, welcher der ission von lektronen wegen der elektrostatischen Kräfte entgegenwirkt. Je nach Stärke der positiven adung ist die ission von Fotoelektronen öglich oder nicht. Variante : ohne Berechnung der Grenzwellenlänge zu erwartende Beobachtung Begründung (a) a lektroskop Infrarotlape eittiert icht hoher Wellenlänge (kleiner Frequenz) nach h f ist dieses icht energiear nergie des ichtes reicht nicht aus, u lektronen aus der Zinkplatte herauszulösen. bitur-ph-008-gk-g1.doc 3/8

4 (b) a lektroskop nergie des grünen ichtes reicht wahrscheinlich nicht aus, u Fotoelektronen herauszulösen. (c) (d) (e) a lektroskop Zeigerausschlag des lektroskops geht langsa zurück Zeigerausschlag des lektroskops geht zurück keine Veränderung a lektroskop Zeigerausschlag a lektroskop nit zu Glasplatte absorbiert energiereiche ultraviolette Strahlung. Der durchgehende ichtanteil enthält nur noch Photonen geringer nergie. Bei genügend dünner Glasplatte wird die nergie der ultravioletten Photonen nur teilweise absorbiert, so dass noch ein Teil die Glasplatte durchdringt. s werden Fotoelektronen eittiert. Durch Vergrößerung des bstandes zwischen ichtquelle und Zinkplatte wird die Intensität des auf der Platte auftreffenden ichtes gegenüber verindert. s werden wegen der unverinderten nergie der ultravioletten Photonen lektronen eittiert. Ihre nzahl ist aber geringer als in. Bei positiv geladener Zinkplatte herrscht ein lektronenangel, welcher der ission von lektronen wegen der elektrostatischen Kräfte entgegenwirkt. Je nach Stärke der positiven adung ist die ission von Fotoelektronen öglich oder nicht. 1. Gegenfeldethode icht Beschreibung des ufbaus it Skizze: evakuierter Glaskolben it Innen auf gedapfter Kathode und eine gebogenen Draht als node (wegen ichteinfall) Durch Fenster fällt icht auf Kathode. lektronen können eittiert werde und sich in Richtung Ringanode bewegen. Von außen wird ein veränderbares (über Potenzioeter) Gegenfeld (node an Minuspol, Kathode an Pluspol) angelegt. Zu Messen des Fotostroes wird ein epfindliches Galvanoeter eingesetzt. Ringanode Metallkathode V Durchführung: Monochroatisches icht bestiter Frequenz (größer als Grenzfrequenz) fällt auf Kathode bei ausgeschalteter Spannungsquelle. lektronen werden eittiert und bewegen sich in Richtung node. s ist ein Photostro über Galvanoeter essbar. Das Gegenfeld wird eingeschaltet und die Spannung wird solange erhöht, bis der Fotostro gerade den Wert Null erreicht. Gegenspannung wird abgelesen. bitur-ph-008-gk-g1.doc 4/8

5 1.3 uswertung: Nach nergiesatz gilt: it U Q e U e el el e e U Dait entspricht die geessenen Gegenspannung der etischen nergie der schnellsten Fotoelektronen in ev. W c W it h f h c h W s 6,6610 J s,0ev 7 4, s 19 6,6610 J s,0 1,6010 s V 7 4, , J 1,1V v v v 6,310 s 19 1,76610 J 31 9,10910 kg 5 1 J kg s 1 v s kg kg oder besser: c h W it v c v h W c v h W s 19 v 6,66 10 J s,0 1,60 10 s V ,10910 kg 4,0 10 v 6, 310 s s 1 kg s v J s s V J J s kg kg kg 1 bitur-ph-008-gk-g1.doc 5/8

6 nwendungen.1 rklärung inie Verwendung unterschiedlicher ichtfarben heißt, dass die etischen nergien der eittierten lektronen unterschiedlich groß sind. c 1 o v h W it W,, h, c konst. v ~ konst. o it zunehender Wellenlänge sinkt die Geschwindigkeit der eittierten Fotoelektronen Kreisbahn (teilweise wegen intritt ins B-Feld von außerhalb) F F Z v o e v B r v r it, e, B konst. r ~ v eb o Radius der Kreisbahn wird durch Geschwindigkeit der lektronen bestit Da die Geschwindigkeit wegen der unterschiedlichen nergien der verschiedenen Farben variiert, verändert sich der Radius der Kreisbahn i B-Feld und dait der uftreffpunkt auf de Schir. Bei kontinuierlicher Farbverteilung entsteht auf de Schir eine durchgehende inie, wie in der bbildung zur ufgabe.. Herleitung der Gleichung: e Brax v ax ax it vax siehe.1 e B rax ax e B rax ax.3 Berechnung der etischen nergien: e B r s it rax s e s B s e B s 8 s 6, , 6910 J 0, 93eV 6, ,60 10 s T 0,015 0,04 89,10910 kg 0, s V s J s J kg kg J J bitur-ph-008-gk-g1.doc 6/8

7 Für die andren Werte ergibt sich entsprechend: 14 f in 10 Hz 6,8 7,1 7,4 7,7 in c 1,5,4 3,0 3,4 0 in 10 J 4,69 6,66 8,79 10,70 in ev 0,93 0,416 0,549 0,668 Grafische Darstellung: in ev f in 10 Hz x Bestiung it Hilfe von blesen auch zulässig! Grenzfrequenz: ustrittsarbeit: G f 6,1 Hz W Plank sches Wirkungsquantu: 1 h f f 1,6eV (als nstieg der Gerade) 19 0, 668 0, 93 ev 0,668 0, 93 1, 6010 s V 34 h 6,67510 J s , 7 6,8 10 s 7, 7 6,8 10 s wenn berechnet (d.h. ohne blesen ): Plank sches Wirkungsquantu: h f W 1 1 h f W h f 1 f ,668 0,93 ev 0,668 0, 93 1,6010 s V 34 h 6,67510 J s , 7 6,8 10 s 7, 7 6,8 10 s ustrittsarbeit: bitur-ph-008-gk-g1.doc 7/8

8 h f W W h f , J s 6,8 10 s 0,93eV , , ev 0,93eV,54eV 1,6010 Grenzfrequenz: W h f G 19 W,54 ev,541, 6010 s V fg 6, s 6,110 Hz h 6,67510 Js 6,67510 J s.4 Verkleinerung von B: s s it s, e,, konst. ~ B e B s aus Teilaufgabe,3 8 s 8 s e B 8 s s e B eb s s e B 1 F F F Z wenn B e v B it e, v konst. F ~ B wenn B F v 1 F it, v konst. F ~ r r wenn B F r B F F ~ r ~ r B s rax it s konst. r ~ s wenn r bitur-ph-008-gk-g1.doc 8/8