21-1. K=f c I=I0 e f c d

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Gabriel Bretz
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1 21-1 Lichtabsorption 1. Vorbereitung : Extinktions- und Absorptionskonstante, mittlere Reichweite, Unterscheidung zwischen stark und schwach absorbierenden Stoffen, Lambert-Beersches Gesetz, Erklärung von Absorption und Emission im Atommodell, Lichtmessung (Vakuumund Halbleiter-Photozelle), Austrittsarbeit, Plancksches Wirkungsquantum. 2. Versuch : Die Lichtschwächung (Extinktion) läßt sich außer durch Schichtdickenänderung auch durch die wirksame Stoffmenge variieren, z.b. bei Messungen durch Konzentrationsänderung. Unter der Voraussetzung, daß die Extinktion durch nicht miteinander wechselwirkende Moleküle erfolgt, ist sie proportional der Konzentration des gelösten Stoffes. Man erhält das Lambert-Beersche Gesetz : oder wobei K=f c I=I0 e f c d f = K/c = molare Extinktionskonstante d = Dicke der Schicht c = Konzentration Dieses Lambert-Beersche Gesetz ist streng nur bei sehr großer Verdünnung gültig. Aus Abweichungen dieses Gesetzes kann man auf die Wechselwirkung zwischen den einzelnen Molekülen schließen. Außerdem hat das Lambert-Beersche Gesetz einen weiten Anwendungsbereich in der Photometrie der quantitativen Analyse. Man ist mit ihm in der Lage, auch sehr geringe Konzentrationen schnell und relativ einfach zu bestimmen. Es soll untersucht werden, inwieweit das Lambert-Beersche Gesetz für Tuschelösung gilt. Als Lichtquelle wird eine Halogenlampe verwendet. Sie besitzt hinreichend konstante Intensität. Diese wird mit einer Kalium-Photozelle gemessen. In einem hochevakuierten Glasgefäß ist eine Kaliumschicht aufgetragen (Kathode), von der bei Lichteinfall aufgrund des äußeren lichtelektrischen Effektes Elektronen emittiert werden, falls die Energie der Lichtquanten größer ist als die für das Austreten der Elektronen benötigte Energie (Austrittsarbeit). Die kinetische Energie der Photoelektronen ist um so höher, je größer die Energie der Lichtquanten ist, während ihre Zahl der Zahl der auftreffenden Lichtquanten (Intensität) proportional ist. Die kinetische Energie Wk eines den Kaliumverband verlassenden Elektrons ergibt sich aus der Differenz der Energie hν des von ihm absorbierten Lichtquants und der Austrittsarbeit Wa : W k =h ν W a

2 21-2 Die aus der Kathode emittierten Elektronen gelangen an die Anode und laden diese negativ auf, d.h. zwischen Anode und Kathode baut sich eine Potentialdifferenz UG auf. Diese Potentialdifferenz erreicht schließlich einen Endwert, der ein Maß für die Energie der absorbierten Lichtquanten ist. Dieser Endwert ist dann erreicht, wenn die kinetische Energie Wk der austretenden Elektronen nicht mehr ausreicht, die aufgebaute Potentialdifferenz UG zu überwinden. Dieser Fall tritt ein, wenn : W k =e UG Aus Gleichung (1) wird dann : e UG =h ν W a Ist die Wellenlänge λ = c/ν des verwendeten Lichts bekannt, kann mit UG das Plancksche Wirkungsquantum bestimmt werden. 3. Aufgaben : 3.1 Proportionalität zwischen Photostrom und Lichtintensität Man weise die Proportionalität zwischen Photostrom und Lichtintensität nach. Mit Hilfe der Lochblende werden verschiedene Bruchteile aus dem Lichtbündel ausgeblendet. Graphische Darstellung! 3.2 Bestimmung des Planckschen Wirkungsquantums Man messe die zwischen Anode und Kathode herrschende Potentialdifferenz UG mittels Meßverstärker und Voltmeter für 5 verschiedene Interferenzfilter. Aus den über den Lichtfrequenzen ν = c/λ aufgetragenen Meßwerten läßt sich das Plancksche Wirkungsquantum bestimmen. Zwischen den Messungen ist die Anode auszuheizen (Warum?). 3.3 Absorption einer Tuschelösung (Abhängigkeit von der Schichtdicke) Man messe die Absorption einer Tuschelösung ( ein Tropfen Tusche auf einen Liter Wasser) in Abhängigkeit von der Schichtdicke. Stellen Sie ln(i0/i) = f(d) graphisch dar und diskutieren Sie das Ergebnis. Die Schichtdicke wird mittels verschiedener Küvetten im parallelen Strahlengang variiert. Da ein Teil der einfallenden Intensität an den Grenzflächen Luft/Glas bzw. Glas/Wasser reflektiert wird und sich außerdem die durchstrahlte Glasdicke beim Hintereinanderstellen mehrerer Küvetten ändert, sind zunächst alle Küvetten in den Strahlengang zu bringen und mit Wasser zu füllen. Die Irisblende ist nun so einzustellen, daß das µa-meter Vollausschlag zeigt. Anschließend können die Küvetten mit der Tuschelösung gefüllt werden.

3 Absorption einer Tuschelösung (Abhängigkeit von der Konzentration) Man messe ln(i0/i) = f(c), wobei die Schichtdicke konstant bleibt (man verwende die 1cm-Küvette). Die Anfangskonzentration (100 %) ist so einzustellen, daß man einen gerade noch meßbaren Photostrom erhält. Messen Sie bei folgenden Verdünnungen (Konzentration jeweils um den Faktor ½ bezüglich der vorherigen Konzentration erniedrigt) : 50 %, 25 %, 12.5 %, 6.25 %, % und stellen Sie die Ergebnisse graphisch dar! 3.5 Ablösearbeit für Kalium Die vorhandenen Farbfilter sind nur für einen bestimmten Wellenlängenbereich des Lichts durchlässig. Als Beispiel der Filter RG 5 : Abb. 1 : Durchlässigkeitsspektrum für RG 5 Halten Sie verschiedene Filter vor die Photozelle und messen Sie den Photostrom IF als Funktion von λmin. Dazu wähle man aus den aufliegenden Durchlässigkeitskurven geeignete Filter aus. Aus der graphischen Darstellung IF = f(λmin) schätze man die Ablösearbeit in ev für Kalium ab. 00 Word 97

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