Versuch: D07 - Fotoeffekt Auswertung

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Frank Boer
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1 Physikalisches Anfängerpraktikum Universität Hannover - Wintersemester 2008/2009 Kais Abdelkhalek - Vitali Müller Versuch: D07 - Fotoeffekt Auswertung

2 1 Vorbereitung 1.1 Fragen Wie ist die Einheit 1 ev festgelegt? Die Energie, die ein Elektron hat, wenn es durch eine Spannung von 1 Volt beschleunigt wurde (z.b. beim Plattenkondensator). Welchen Zusammenhang gibt es zu den anderen Energieeinheiten? 1 ev = Joule In welchem Frequenzbereich muss das eingestrahlte Licht mindestens liegen, um aus Cäsium Fotoelektronen auszulösen (W Kin = 0)? W kin = h f W A, W kin = 0, h = Js Licht dieser Wellenlänge erscheint rot. W A h f W A h f = f 4, Hz = λ 650 nm 2 Versuche mit einer Vakuum-Fotozelle (zu 4.1 in der Versuchsbeschreibung) 2.1 Zum Aufbau Das Licht einer Halogenlampe trifft auf eine Fotozelle, so dass bei einer Maximalspannung von 70 Volt ein Strom I Ph = 50µA fließt. 2.2 Messwerte Nr U a in [V] ± 2 V I Ph in [µa], ± 2µA ,1 48, Grafische Darstellung Strom durch Fotozelle als Funktion der Spannung 50 Strom in [MikroAmpere] smooth spline Spannung in [V] 2.4 Erläuterung der Kennlinie Der Strom durch die Fotozelle ist ab einer Spannung von 15 Volt nahezu konstant bei 50 µa, was daran liegt, dass die Lichtintensität konstant bleibt und somit die Anzahl der durch Photonen herausgelösten Elektronen sich nicht ändert. Ist die anliegende Spannung zu gering, ist das E-Feld zu schwach, um die Elektronen entgegen ihrer Eigenbewegung anzuziehen. So entsteht ein starker Anstieg. 1

6 Abhängigkeit der Energie der Fotoelektronen von der Beleuchtungsstärke E v Unsere Vermutung war, dass die Energie unabhängig von der Beleuchtungsstärke ist und nur von der Frequenz des Lichtes

3 2.5 Hängt der Strom I Ph der herausgeschlagenen Elektronen von der Beleuchtungsstärke E v ab? Mit größerer Beleuchtungsstärke E v nimmt der Fotostrom I Ph zu, da mehr Elektronen herausgeschlagen werden können. 2.6 Abhängigkeit der Energie der Fotoelektronen von der Beleuchtungsstärke E v Unsere Vermutung war, dass die Energie unabhängig von der Beleuchtungsstärke ist und nur von der Frequenz des Lichtes abhängt. Die Vermutung wurde bestätigt. 2.7 Energie der Fotoelektronen in Abhängigkeit von der Frequenz der Photonen Zum Aufbau Eine Fotozelle wurde mit verschiedenen Leuchtdioden, deren Wellenlänge bekannt war, bestrahlt. Gemessen wurde die Gegenspannung, die nötig ist, damit keine Elektronen mehr die Anode erreichen. Die Gegenspannung gibt also direkt die Energie der Elektronen an Messwerte Messgraph Den Fehlerabschätzung für die Steigung ergab sich aus der mittleren Messabweichung. Das Planksche Wirkungsquantum h wurde von uns zu y = m = h = J 337 J = 5, 40 ± 0, 38 Js bestimmt. Die Austrittsarbeit entimmt man der Geradengleichung: W A = 1179, ev ± ev = 1, 18 ± 0, 02 ev Der lineare Zusammenhang aus Gleichung (2) wurde bestätigt, aber leider lag der Wert der Plankschen Konstante außerhalb des Toleranzbereichs. 2

2.8 Planksche Konstante aus dem Fotoeffekt 2.8.1 Zum Aufbau

E-Feld der LED-Sperrschicht vollständig als Lichtenergie

4 2.8 Planksche Konstante aus dem Fotoeffekt Zum Aufbau In diesem Versuch wurde die Strom-Spannungskennlinie von 6 Leuchtdioden aufgenommen. Unter der Annahme, dass die Energie der Elektronen aus dem E-Feld der LED-Sperrschicht vollständig als Lichtenergie abgestrahlt wird, lässt sich so die Planksche Konstante bestimmen Messwerte Graphen 3

5 4

2.8.4 Messwerte für U Diff 2.8.5 Graph für U Diff Der Wert für das Planksche Wirkungsquantum h ergibt sich aus dem Graphen: h = 0, 5624 10 14 1.

6 2.8.4 Messwerte für U Diff Graph für U Diff Der Wert für das Planksche Wirkungsquantum h ergibt sich aus dem Graphen: h = 0, Js = 9, 01 ± 0, Js Vergleich mit dem Wert aus 4.4 (h = 5, Js) und dem Literaturwert (h = Js): Der ermittelte Wert ist leider zu groß, was vermutlich daran liegen könnte, dass nicht die gesamte Energie in Lichtenergie umgewandelt wird. 5

3 Fotowiederstand 3.1 Aufbau Ein Fotowiderstand wird mit einer Infrarot-Leuchtdiode bestrahlt.

E v ist. Der Fotowiderstand ändert seinen Widerstand mit R LDR I γ RED. 3.2 Messwerte 3.

Beleuchtungsstärke bei Fotodioden 4.1 Aufbau Eine Fotodiode wurde mit einer Infrarot-LED bestrahlt.

7 3 Fotowiederstand 3.1 Aufbau Ein Fotowiderstand wird mit einer Infrarot-Leuchtdiode bestrahlt. Für die Infrarot-LED gilt näherungsweise, dass der Strom I RED proportional zur Beleuchtungsstärke E v ist. Der Fotowiderstand ändert seinen Widerstand mit R LDR I γ RED. 3.2 Messwerte 3.3 Messgraphen Aus dem Messgraphen kann man ablesen: γ = 0, Proportionalität von Strom und Beleuchtungsstärke bei Fotodioden 4.1 Aufbau Eine Fotodiode wurde mit einer Infrarot-LED bestrahlt. Es wurde für verschiedene Stromstärken I IRED der Sperrstrom I FD und die Spannung U Sperr der Fotodiode gemessen. 6

8 4.2 Messwerte 4.3 Messgraphen 4.4 Interpretation Wie unschwer zu erkennen ist, handelt es sich beim zweiten Messgraphen um eine Gerade, also ist I FD proportional zu I IRED und somit auch zur Beleuchtungsstärke E v, sofern I IRED E v. 7

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