Lk Physik in 13/1 1. Klausur aus der Physik Blatt 1 (von 2)

Transkript

1 Blatt 1 (von 2) 1. Photoeffekt 1888 bestrahlte W. Hallwachs eine geladene, auf eine Elektroskop sitzende Metallplatte it UV-Licht. 3 BE a) Aus welchen Beobachtungen konnte Hallwachs folgern, dass bei der Lichteinstrahlung nur negative Ladungsträger aus de Metall austreten? Die skizzierte Vakuuphotozelle wird über ein extre hochohiges Volteter kurzgeschlossen. Nach de Einschalten der Beleuchtung registrieret an den dargestellten Spannungverlauf. 6 BE b) Erkläre das Zustandekoen des Spannungsverlaufs. 4 BE c) Wie verändern sich U o und die Anfangssteigung der t-u-kurve, wenn an bei unveränderter Wellenlänge die Intensität der Bestrahlung erhöht? (Begründung!) 4 BE d) Berechne U o, falls als Kathodenaterial Kupfer verwendet wird, und das einfallende Licht onochroatisch von der Wellenlänge λ = 40, 0 n ist. 2. Versuch nach Lenard Durch einen Versuch nach Lenard (1900) kann an Rückschlüsse ziehen, welche Art von Ladungsträgern bei lichtelektrischen Effekt aus de Metall ausgelöst werden. Man bestrahlt eine etallische Kathode K it UV-Licht und beschleunigt die austretenden Ladungsträger ittels der Spannung U gegen eine Lochanode A. Der Teilchenstrahl durchläuft anschließend in eine hoogenen agnetischen Feld der Flussdichte B = 0, 300 T den Teil einer Kreisbahn it Radius r = 0, 800. Bei U = 5, 00 kv registriert der Messverstärker einen axialen Stro vo Faraday-Becher her. 6 BE a) Zeige, dass die Ladungsträger (Masse, Ladung q) nur dann in den Faraday- Becher gelangen können, wenn die Anodenspannung U die nachfolgende Gleichung erfüllt: 2U = qb 2 r 2 5 BE b) Identifiziere anhand dieser Gleichung und der gegebenen Größen die Teilchenart.

2 Blatt 2 (von 2) 3. Elektronenbeugung Elektronen werden durch eine Spannung von 70, 0 kv beschleunigt. Der Elektronenstrahl wird auf eine Metallfolie gelenkt, welche sich unittelbar hinter der als Lochblende ausgeführten Anode befindet. Glühkathode Anode l r U A = 70 kv Metallfolie Schir I Abstand l = 60 c hinter der Folie befindet sich parallel zu ihr ein Leuchtschir. Darauf kann an konzentrische helle Kreise beobachten, deren kleinster einen Radius von r = 7, 4 aufweist. 6 BE a) Zeige, dass die Elektronen nach Durchlaufen der Spannung einen Ipuls von 1, N s besitzen. 8 BE b) Erkläre das Zustandekoen der Kreisringe anhand aussagekräftiger Skizzen. 8 BE c) Bestie ittels Berechnungen ein ögliches Material der Metallfolie. Material Aluiniu Kupfer Nickel Größter Netzebenenabstand in , 05 3, 61 2, BE Viel Erfolg! Kink

3 Musterlösung 1 1. Photoeffekt 3 BE a) Die Metallplatte wird einal positiv und einal negativ geladen. Die positiv geladene Platte entlädt sich i Gegensatz zur negativ geladenen kau. Als treten wohl nur negative Ladungen aus. 6 BE b) Aus der Kathode treten treten nach Einschalten der Beleuchtung Elektronen aus, so dass diese allählich positiv geladen wird. Einige der austretenden Elektronen gelangen zur Ringanode und laden diese negativ auf. Zwischen den beiden Elektroden baut sich denach eine Spannung auf, die diese Vorgang entgegenwirkt, da die Elektronen von der Ringanode abgestoßen werden. Nur noch die schnellsten austretenden Elektronen it der richtigen Richtung gelangen schließlich zur Anode. Die Spannung geht also in die Sättigung. 4 BE c) Bei Erhöhung der Lichtintensität steigt die Anzahl der pro Zeiteinheit austretenden Elektronen. Die Spannung geht schneller in die Sättigung. Die axiale Geschwindigkeit der Elektronen ändert sich nicht, da sie nur von der Wellenlänge abhängt. Soit bleibt U o wie bisher. Die anfängliche Steigung ist deshalb größer. 4 BE d) geg.: λ = 40, Austrittsarbeit für Kupfer: Energie der Photonen: E Ph = hf = hc λ W a = 4, 84 ev = 4, ev s 3, s 40, Maxiale Energie der Photoelektronen: Die Spannung beträgt dann = 31, 05 ev E e = E Ph W a = 31, 05 ev 4, 84 ev = 26, 2 ev U o = 26, 2 V 2. Versuch nach Lenard geg.: U = 5000 V, r = 0, 800, B = 0, T 6 BE a) Mit F Z = F L v 2 = qvb r v = qbr 1 2 v2 = Uq 2Uq v =

4 Musterlösung 2 folgt 5 BE b) Löse auf nach q 2U = qb 2 r 2 q = 2U B 2 r 2 = 2Uq = qbr 2Uq = qbr = 1, A s kg 2Uq = q 2 B 2 r 2 2U = qb 2 r V (0, T) 2 (0, 800 ) 2 Die Übereinstiung it q für Elektronen: e = 1, A s kg legt nahe, dass es sich u Elektronen handelt. 3. Elektronenbeugung geg.: U = 70, 0 kv, l = 0, 60, r = 7, 4 = 7, BE a) Energie-Ipulsbeziehung für die Elektronen: E 2 ges = E 2 o + p 2 c 2 p = 1 c E 2 ges E 2 o = 1 c = 1 c Ekin (E kin + 2E o ) = = 1, N s (E kin + E o ) 2 Eo 2 = 1 Ekin 2 c + 2E oe kin 1 3, , 0 (70, ) , J s b) 8 BE Die Elektronen treffen in der Folie auf sehr viele Kristallite in den unterschiedlichsten Ausrichtungen. Es sind ier sehr viele dabei, bei denen sie unter eine Glanzwinkel auftreffen, welcher die Bragg-Bedingung für ein konstruktive Interferenz erfüllt. Diese Kristallite streuen die Elektronen u den Winkel aus

5 Musterlösung 3 der ursprünglichen Richtung. β Die gestreuten Elektronen befinden sich daher alle auf eine Kegel it Spitze i Streuzentru und Öffnungswinkel 4. Folie Auf de Schir sieht an den Schnitt des Kegels it der Schirebene, also in unsere Fall einen Kreis. Für die verschiedenen Netzebenenabstände und die verschiedenen Ordnungen ergeben sich unterschiedliche Kreisradien. 8 BE c) De-Broglie-Wellenlänge der Elektronen Ablenkwinkel : λ = h p = 6, J s 1, kg s tan = r l = 7, , 60 = arctan( ) 180 π = 0, 352 = 4, = 1, =

6 Musterlösung 4 Die Strahlen werden u den Winkel abgelenkt, wobei der Bragg-Beziehung genügt: 2d sin = kλ d = Die Folie ist dait wohl aus Kupfer. kλ 2 sin = 1 4, sin 0, 352 = 3, BE