Photozelle. Kathode. Spannungsquelle - + U Voltmeter

Transkript

1 1. Mache dich mit dem Applet vertraut! Lies hierzu den einführenden Text und erkläre die folgenden Begriffe in diesem Zusammenhang in einem kurzen Satz. Photon: Kathode: Anode: Energie eines Photons: Energie eines Elektrons: Grenzfrequenz: Austrittsarbeit: Gegenspannung: Ein Photon ist ein Lichtteilchen. Aus der Kathode werden die Elektronen herausgeschlagen. Die Anode fängt die frei gewordenen Elektronen auf. Die Energie eines Photons lässt sich mit h*f berechnen. Das Elektron bekommt vom Photon Energie und kann so die Kathode verlassen. Die Grenzfrequenz ist die Frequenz, die ein Photon haben muss, um ein Elektron herauszuschlagen. Die Austrittsarbeit ist eine materialspezifische Konstante und gibt an, wie viel Energie auf ein Elektron übertragen werden muss, damit es herausgeschlagen wird. Eine Gegenspannung wird angelegt, um den Photostrom zu unterdrücken; hierbei wird die Anode negativ und die Kathode positiv gepolt. Finde die Begriffe in dem Applet und fertige dann eine eigene vereinfachte beschriftete Skizze zur Gegenspannungsmethode an, die aus einer Lichtquelle, einer Photozelle(mit Kathode und Anode), einer Spannungsquelle, sowie einem Ampere- und einem Voltmeter besteht. Anode Photozelle Kathode Lichtquelle Spannungsquelle - + I Amperemeter U Voltmeter 2. Erkläre in einem kurzen Aufsatz, was passiert, wenn die Kathode mit genügend kurzwelligem Licht bestrahlt wird. Beziehe die wichtige Gleichung E kin =h*f-w A mit ein und erläutere, wann die kinetische Energie eines Elektrons maximal ist und wie man diese messen kann. Wird die Kathode mit Licht bestrahlt, dass kurzwellig ist und somit eine hohe Energie hat, können die Photonen (Lichtteilchen) ihre Energie (h*f) auf die

2 Elektronen in der Kathode übertragen. Dadurch haben die Elektronen genug Energie (E kin ), um das Metall zu verlassen, sie werden herausgeschlagen und gelangen zur Anode, die sich dadurch negativ auflädt. Es ergibt sich ein Photostrom. Die Elektronen können die Kathode jedoch nur verlassen, wenn sie genug Energie von den Photonen erhalten haben. Wie viel Energie die Elektronen benötigen, hängt vom Material ab. Diese materialspezifische Größe ist die Austrittsarbeit W A. Somit kann man auch die Gleichung E kin =h*f-w A erklären. Die kinetische Energie der Elektronen ist die Differenz aus der Energie, die sie von den Photonen erhalten haben und jener Energie, die für das Herausschlagen benötigt wurde. Bei der sogenannten Gegenspannungsmethode wird zwischen Anode und Kathode eine Spannung angelegt, sodass die Anode negativ und die Kathode positiv gepolt ist. Dadurch wird der Photostrom nach und nach unterdrückt, bis er schließlich null ist. In diesem Fall werden die Elektronen zwar herausgeschlagen, bewegen sich jedoch von der Kathode nicht weg und es findet keine Umwandlung der kinetischen Energie statt. Ist die Gegenspannung also so eingestellt, dass der Photostrom komplett unterdrückt wird, ändert sie sich nicht mehr und die Elektronen haben die maximale kinetische Energie e*u. 3. Wie hängen die Wellenlänge, die Lichtgeschwindigkeit und die Frequenz zusammen? Schreibe die Gleichung auf. Berechne zu jeder Wellenlänge, die du im Applet einstellen kannst die zugehörige Frequenz in THz(Terahertz: Hz) und trage die Werte in die Tabelle ein. (c= m/s) Der Zusammenhang lautete: c=λ*f. λ in nm f in Hz f in THz 578 5,1867E ,4907E ,8760E ,2135E ,1803E Das rote Messgerät misst den Photostrom, das blaue Messgerät die Gegenspannung. Stelle für beide Kathodenmaterialien die Gegenspannung für jede Wellenlänge so ein, dass der Photostrom gerade I=0A ist und notiere die Werte in V in der Tabelle. λ in nm f in Hz f in THz U_G in V 578 5,1867E , ,4907E , ,8760E , ,2135E , ,1803E ,94 λ in nm f in Hz f in THz U_G in V 578 5,1867E ,4907E , ,8760E , ,2135E , ,1803E ,54

3 5. Welche maximale kinetische Energie ergibt sich jeweils für ein Elektron in J und ev? (e=1,602*10^-19c). Trage auch diese Werte in die Tabelle ein λ in nm f in Hz f in THz U_G in V E_kin in J E_kin in ev 578 5,1867E ,21 3,3642E-020 0, ,4907E ,33 5,2866E-020 0, ,8760E ,90 1,4418E-019 0, ,2135E ,46 2,33892E-019 1, ,1803E ,94 4,70988E-019 2,94 λ in nm f in Hz f in THz U_G in V E_kin in J E_kin in ev 578 5,1867E ,4907E ,02 3,204E-021 0, ,8760E ,59 9,4518E-020 0, ,2135E ,15 1,8423E-019 1, ,1803E ,54 4,06908E-019 2,54 Tina hat die Aufgabe ebenfalls bearbeitet und kommt an dieser Stelle nicht weiter. Wenn sie die maximale kinetische Energie eines Elektrons bei gelbem Licht für bestimmen möchte, bekommt sie Schwierigkeiten. Sie vermutet, dass das Applet nicht richtig funktioniert. Was ist ihr Problem? Wenn Tina bei dem Kathodenmaterial eine Wellenlänge von 578nm für gelbes Licht einstellt, wird keine maximale kinetische Energie eines Elektrons angezeigt. 6. Stelle nun die maximale kinetische Energie in ev gegen die Frequenz in THz für und in einem Diagramm dar und zeichne die Regressionsgeraden. 3,5 2,5 E_kin in ev 1,5 0,5-0,5 f(x) = 0,004135x - 1, f(x) = 0,003988x - 2, Linear () Linear () -1,5-2,5 f in THz

4 Bestimme aus beiden Graphen jeweils das Plank'sche Wirkungsquantum, die Grenzfrequenz und die Austrittsarbeit. h=steigung*10-12 *e f g =Nullstelle W A =y-achsenabschnitt h()=6,624*10-34 Js f g ()=470THz W A ()=1,94eV h()= 6,389*10-34 Js f g ()=550THz W A ()=2,15eV Vergleiche deine Austrittsarbeiten mit denen, die im Applet angegeben sind und den Literaturwerten! (W A ()=1,94eV, W A ()=2,30eV) Aus dem Graphen wurde eine Austrittsarbeit von 1,94eV für und 2,15eV für bestimmt. Das Applet zeigt für ebenfalls 1,94eV und für 2,25eV an. Der Literaturwert für stimmt mit dem bestimmten Wert und dem Applet überein. Die Austrittsarbeit für weicht auch beim Applet vom Literaturwert ab. Vergleiche dein Planck'sches Wirkungsquantum mit dem Literaturwert! (h=6,626*10^-34js) Bei der Messung mit stimmt der Wert für h bis auf die zweite Nachkommastelle mit dem Literaturwert überein. Die Messung mit ist hingegen ungenauer. Vergleiche deine Grenzfrequenzen mit den Literaturwerten! (f g = 469 THz (), 544 THz ()) Als Grenzfrequenz wurde für grob 470THz abgelesen, was ebenfalls nah an dem Literaturwert liegt. Die Grenzfrequenz von liegt mit 550THz 6THz vom Literaturwert entfernt. Wie gut ist das Applet nun deiner Meinung nach geeignet, um die genannten Werte zu bestimmen? Die Messung mit scheint sehr gut zu funktionieren, um die Werte zu bestimmen, da sie sehr nah an den Literaturwerten liegen. Die Messung mit ist hingegen um einiges ungenauer, was daran liegen könnte, dass man hier einen Wert weniger verwenden kann. Es wäre genauer, wenn man mehr Wellenlängenwerte eingeben könnte und somit mehrere Messdaten verwenden könnte. 7. Du erinnerst dich an Tinas Problem. Schreibe ihr eine und erkläre ihr, wieso sie bei der genannten Einstellung Schwierigkeiten hatte. Liebe Tina, ich habe von deinem Problem gehört, das du mit dem Applet zum Photoeffekt hattest. Es ist keinesfalls so, dass das Applet nicht funktioniert, wenn man die Wellenlänge für gelbes Licht bei dem Kathodenmaterial einstellt. Hier wird keine maximale kinetische Energie für ein Elektron angezeigt, weil gar kein Photoeffekt stattfindet. Das Licht ist nicht kurzwellig genug und hat somit nicht genug Energie, um Elektronen aus der Kathode zu schlagen. Das siehst du auch, wenn du das in die Gleichung E kin =h*f-w A einsetzt. Die Austrittsarbeit für ist 2,25eV. Die Energie der Photonen des gelben Lichts ist aber nur 2,15eV. Du siehst, dass diese

5 Energie kleiner ist und die Photonen den Elektronen somit nicht genug Energie übergeben können, dass sie das verlassen können. Liebe Grüße 8. In einem Experiment wird eine Zinkkathode (Austrittsarbeit 4,27 ev) mit blauem Licht der Wellenlänge 460nm bestrahlt. Erläutere, was passiert und begründe mit einer Rechnung. E kin =h*f-w A = 6,626*10-34 Js*( m/s / 460nm) 4,27eV = 2,69eV 4,27eV = -1,58eV Es passiert nichts, da die Photonen des blauen Lichts nicht genügend Energie besitzen, damit Elektronen aus der Zinkkathode herausgeschlagen werden. 9. Dein Sitznachbar sieht dieses Experiment auch und schlägt vor: Wir können doch einfach genauso eine Lampe nehmen, die eine größere Leistung hat. Wenn das Licht intensiver wird, messen wir sicher einen Strom! Gehe in ein paar Sätzen auf seine Äußerung ein und stelle, falls nötig, seine Äußerung richtig, sodass er es versteht. Ob der Photoeffekt stattfindet oder nicht, hängt davon ab, wie viel Energie die Photonen des Lichts haben, mit dem die Kathode bestrahlt wird. Die Photonen übertragen Energie an die Elektronen, sodass sie die Kathode verlassen können. Sie werden herausgeschlagen. Die Energie der Photonen lässt sich mit h*f berechnen und hängt somit nur von der Frequenz bzw. der Wellenlänge ab. Nimmt man eine intensivere Lampe oder eine Lichtquelle mit mehr Leistung, ändert das nichts an der Frequenz oder Wellenlänge des Lichts. Die Photonen haben somit nicht mehr Energie und können auch keine Elektronen herausschlagen. Es findet kein Photoeffekt statt, wenn die Photonen nicht genug Energie haben und das Licht somit nicht kurzwellig genug ist.