Versuch 33: Messung mit einer Vakuum-Photozelle Seite 1

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1 Versuch 33: Messung mit einer Vakuum-Photozelle Seite Aufgabe: Messverfahren: Vorkenntnisse: Lehrinhalt: Bestimmung der Charakteristik einer Photozelle Messung des Photostroms mit Hilfe eines Galvanometers als Funktion der Absaugspannung bzw. des Abstands zwischen Photozelle und Lichtquelle. Beeinflussung des Photostromes durch Zwischenschaltung verschiedener Farbfilter. Abstandsgesetz der Intensitätsverteilung einer Punktquelle, Sättigungsstrom einer Diode (s. Vers. 5), Wirkung optischer Filter, Austrittsarbeit. Vakuum-Photozelle, Photonen, Photoeffekt. Einführung und Schaltungsaufbau In einer Photozelle kommt der lichtelektrische Effekt (Photoemission) zur technischen Anwendung. Unter lichtelektrischem Effekt versteht man die Auslösung von Elektronen aus Metalloberflächen durch Licht geeigneter Wellenlänge. Um die ausgelösten Elektronen festzustellen, legt man zwischen die belichtete Metalloberfläche (als Kathode) und einen davor gesetzten Metallbügel (als Anode) eine Saugspannung, welche die ausgelösten Elektronen zur Anode leitet. Wir messen den so entstehenden Photostrom mit dem Galvanometer nach untenstehender Schaltung (Abb. ). Zwecks Vermeidung von störenden Thermoströmen soll kein Schalter in den Stromkreis gelegt werden, sondern der Galvanometerausschlag nur durch Ein- und Ausschalten der Lichtquelle hervorgerufen werden. + ΜΩ G + 4 bzw. 6 V V 0-60 V Abb. Schaltungsaufbau zu den Messungen an einer Photozelle. Um mit der Photozelle ohne Störung durch die Einwirkung des Tageslichtes arbeiten zu können, ist sie in einen Holzkasten eingebaut. Außer ihr befinden sich in diesem eine an einer Messstange verschiebbare Lichtquelle, ein Filterhalter, eine 6 Volt-Lampe und mehrere Lichtfilter, deren Durchlässigkeit in Abhängigkeit von der Wellenlänge auf dem beigegebenen Diagramm (letzte Seite) graphisch aufgetragen wurde.

2 Versuch 33: Messung mit einer Vakuum-Photozelle Seite. Aufgaben.. Photostrom als Funktion der Lichtintensität: Man lege an die Photozelle eine Anodenspannung von 60 V und nehme den Photostrom I in Abhängigkeit vom Abstand r zwischen Lichtquelle und Photozelle auf. Die Belichtung ist proportional / r. Wenn der Photostrom I der Belichtung proportional ist, muß I@ r = const. sein. Das ist zu überprüfen. Hierbei ist zu beachten, dass die Nullmarke der Messstange nicht genau in der lichtempfindlichen Schicht der Photozelle liegt. Trägt man in einer graphischen Darstellung const. / I in Abhängigkeit vom abgelesenen Abstand r' auf, so ergibt sich eine Gerade, die nicht durch den Nullpunkt geht: der Abszissenabschnitt liefert den Abstand des wahren Nullpunktes r = 0 vom Nullpunkt r' = 0 der Messstange. Man führe diese Messung unter Ausnutzung der verschiedenen Galvanometer-Messbereiche mit weißem Licht, mit dem Filter OG 550 und dem Filter RG 630 durch. Um mit weißem Licht auch noch bei kleinen Abständen Lichtquelle-Photozelle messen zu können, betreibe man dabei die Glühlampe nur mit 4V, bei den beiden Filtern wie bei allen anderen Messungen mit 6V. Die Auswertung sollte, wenn möglich, mit linearer Regression vorgenommen werden... Charakteristik für weißes Licht: Unter einer Charakteristik der Photozelle versteht man den Verlauf des Photostromes als Funktion der angelegten Saugspannung. Bei der benutzten Vakuum-Photozelle strebt der Photostrom mit wachsender Saugspannung einer Sättigung zu. Man nehme bei weißem Licht den Photostrom als Funktion der Saugspannung auf (Lampenspannung 6V). Den Abstand Lampe-Photozelle stelle man so ein, dass bei der Schalterstellung am Galvanometer der Ausschlag bei 60V Spannung gerade 00 Skalenteile beträgt. Die Aufnahme der Kurve kann auch mit einem x-y-schreiber erfolgen: y-abgriff am Schutzwiderstand von MΩ, x-abgriff parallel zum Voltmeter..3. Charakteristik für farbiges Licht: Man nehme nacheinander jeweils die Charakteristik für die beigegebenen Farbfilter bei der gleichen Einstellung wie unter auf. Man fertige eine graphische Darstellung dieser Kurven zusammen mit der Charakteristik des weißen Lichtes auf einem Blatt an, so dass man die Wirkung der verschiedenen Filter direkt miteinander vergleichen kann. Die Kurven der dunklen Filter zeichnet man noch einmal in vergrößertem Maßstab. Schreiberbenutzung wie in Aufgabe, bei gleicher Verstärkung bzw. in entsprechendem Maßstab..4. Abschätzung des Verlaufs der spektralen Empfindlichkeit der Photozelle Nach dem im folgenden beschriebenen Verfahren schätze man den Verlauf der Empfindlichkeit der Photozelle in Abhängigkeit von der Lichtwellenlänge ab (graphische Darstellung). Man benutzt dazu den Galvanometerausschlag in der Sättigung und die in Aufgabe 3 angefertigte Darstellung.

3 (willkürliche Einheit) Versuch 33: Messung mit einer Vakuum-Photozelle Seite 3 S [] [nm] Abb. Strahlung eines schwarzen Körpers (T K) als näherungsweises Spektrum der benutzten Glühlampe. 3. Empfindlichkeit der Photokathode in Abhängigkeit von der Wellenlänge Der von der Photozelle gelieferte elektrische Strom bei einer Bestrahlung mit Licht im Wellenlängenintervall d beträgt: Dabei bedeuten di = S α (r D ε (). S () spektrale Emission der Lampe (Einheit: m s - ); S () d = elektromagnetischer Energiestrom im Wellenlängenintervall d in den vollen Raumwinkel 4π (Einheit: J@s - ). S () ist in der beigegebenen graphischen Darstellung in willkürlichen Einheiten angenähert durch die Plancksche Strahlungsfunktion für T = K. α (r ) Geometriefaktor der Anordnung Lampe - Photozelle; geometriebedingter Bruchteil der auf die Photokathode auftreffenden Strahlung der im Abstand r aufgestellten Lampe (dimensionslos; α. A/4πr, A = bestrahlte Kathodenfläche). D () Durchlässigkeit des Filters in Abhängigkeit von der Wellenlänge; dimensionsloses Verhältnis von durchgelassenem zu einfallendem Energiestrom der Wellenlänge.

4 Versuch 33: Messung mit einer Vakuum-Photozelle Seite 4 ε () Empfindlichkeit der Photokathode (Einheit: A@ J s) in Abhängigkeit von der Wellenlänge; Verhältnis des von der Photozelle abgegebenen elektrischen Stromes zum auffallenden Energiestrom des Lichtes der Wellenlänge. Der Ausschlag a (Einheit: mm) des Galvanometers bestimmt sich unter Benutzung der auf die Skalenauslenkung bezogenen Stromempfindlichkeit E I (Einheit: m A - ) beim Abstand r (Einheit: m) zwischen Spiegel und Skala als Integral über den Beitrag aller Spektralanteile: a = r E I IdI. Mit der Abkürzung C = r E I α (r ) (Einheit: A - ) erhalten wir also: a = C 0 S( ) D( ) ε( ) d 4. Auswirkung verschiedener Filter δ- Filter bei der Wellenlänge 0 : a 0 = C S ( 0 ) ε ( 0 ) I D () d D() Y ε a0 ( 0 )= C S ( 0 ) D ( ) d. Einheitsstufenfilter, Differenzbildung: a - a= C a= C a = C S ( ) ε ( ) d, S ( ) ε ( ) d ; S ( ) ε ( ) d C S ( 0 ) ε ( 0 ) ( - ), D() 0 0 wobei 0 hier die Intervallmitte zwischen und bezeichnet. Y a - a ε ( 0 )= C S ( 0 ) ( - ) Mit verschiedenen Stufenfiltern kann man so durch Differenzbildung den qualitativen Verlauf der Photokathodenempfindlichkeit ε in Abhängigkeit von der Wellenlänge des Lichtes gewinnen.

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