Grundlagen. Dies bedeutet, dass die Elektronenemission unabhängig von der Lichtintensität und unabhängig von der Bestrahlungsdauer. A.

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Grundlagen Die Wissenschaft beschäftigte sich lange mit der Frage um die Natur des Lichts. Einerseits besitzt Licht viele Welleneigenschaften, weshalb es häufig als solche betrachtet wird.

1 Grundlagen Die Wissenschaft beschäftigte sich lange mit der Frage um die Natur des Lichts. Einerseits besitzt Licht viele Welleneigenschaften, weshalb es häufig als solche betrachtet wird. Doch andererseits gibt es einige Effekte die sich mit dieser Theorie nicht erklären lassen. Dazu gehört der äußere Photoeffekt. Lange stand die Wissenschaft vor einem Rätsel, ob es sich bei den Erscheinungen des Lichtes um einen Wellen oder Teilchencharakter handelt. Albert Einstein hat den Photoeffekt 1905 durch Einführung der Lichtquanten erklärt und somit bedeutend zur Anerkennung der von Max Planck begründeten Quantentheorie beigetragen. A.Einstein Es wurde erwartet, dass die Elektronenemission von der Intensität und nicht von der Frequenz f abhängt. Die Frequenz f muss einen bestimmten Schwellenwert f min überschreiten, um Elektronen aus der Oberfläche zu lösen. WKin= h f WAblösung Dies bedeutet, dass die Elektronenemission unabhängig von der Lichtintensität und unabhängig von der Bestrahlungsdauer.

2 Ferner wurde erwartet, dass die Geschwindigkeit der Elektronen von der Intensität des Lichts abhängt. Auch dies war nicht der Fall, denn die Geschwindigkeit ist proportional zu der Frequenz f mv = h f WAblösung Beide Eigenschaften des Photoeffekts stehen im Widerspruch zur elektromagnetischen Wellentheorie die den Zusammenhang zur Intensität erwartet. Theoretische Grundlagen Die Lichtenergie (bzw. Energie eines Lichtquants) errechnet sich nach WPhoton = h f wobei f die Frequenz des beobachteten Lichtes und h eine Konstante, Plancksches Wirkungsquantum genannt( h = 6, * 10^-34 Js ), ist. Um die Konstante h zu bestimmen müssen wir einen Zusammenhang zwischen der Lichtenergie W Photon und einer mit herkömmlichen Methoden messbaren Größe herstellen. Diesen Zusammenhang liefert der Versuch zum äußeren Photoeffekt. Bei diesem trifft Licht auf eine Fotokathode, wobei Elektronen emittiert werden, wenn die Energie der Lichtquanten W Photon größer ist als die für das Ablösen der Elektronen verwendete Arbeit W Ablösung. Die durch den Ablösevorgang nicht verbrauchte Energie geht in kinetische Energie der Elektronen über. Mit WPhoton = h f : W = W W Kin Photon Ablösung WKin = h f WAblösung Die aus der Kathode freigesetzten Elektronen treffen auf die gegenüberliegende ringförmige Anode und laden diese negativ auf. Dadurch wird zwischen Anode und Kathode eine Fotogegenspannung

3 U G aufgebaut. Da die Bindungsenergie innerhalb eines Materials immer gleich ist, besteht ein direkter linearer Zusammenhang zwischen der Energie des Lichtes und der Fotogegenspannung UG. = W W W eu Kin Photon Ablösung = G Bei dem Versuch zum äußeren Photoeffekt wird die kinetische Energie der Elektronen experimentell ermittelt, wodurch sich dann Aussagen über die Lichtenergie treffen lassen. Fazit W Photon Bei diesem Versuch ist zu beobachten, dass die Lichtenergie proportional zur Frequenz f ist und nicht zur Intensität. Diese Beobachtung steht im Widerspruch zur Wellentheorie, wodurch Huygens Wellentheorie des Lichtes in ihrer Gültigkeit eingeschränkt wurde.

Optische Bank mit Elektrometer und Lichtquelle Die

4 Versuchsanordnung Die Messungen werden mit Hilfe einer optischen Bank durchgeführt. Abb. Optische Bank mit Elektrometer und Lichtquelle Die Lichtquelle beleuchtet einen Spalt. Abb. Quecksilberniederdrucklampe mit Hochspannungsmodul

5 Der Spalt steht direkt vor der Lichtquelle und kann in seiner Breite variiert werden. Abb. Optische Bank mit verstellbarem Spalt Das Licht wird nun durch ein Strichgitter ( 600 Linien / mm ) gebeugt. Abb. Strichgitter mit Fassung

6 Durch die Sammellinse werden die parallelen Lichtstrahlen gesammelt und auf die Ebene des Schirmes fokussiert. Abb. Sammellinse mit 100 mm Brennweite Durch eine Öffnung im Schirm gelangen die einzelnen Spektrallinien zur Fotozelle. Abb. Quecksilberspektrum Der Teil der optischen Bank auf dem sich die Fotozelle befindet, kann um eine Achse in die Richtungen der gebeugten Strahlen geschwenkt werden. Mit einer Winkelskala misst man die Richtungen in Grad.

Versuchsdurchführung Bestimmung des Planckschen Wirkungsquantums h mit Hilfe des Fotoelektrischen Effektes Auf einer optischen Bank sind eine Quecksilberniederdrucklampe, ein verstellbarer Spalt,

7 Versuchsdurchführung Bestimmung des Planckschen Wirkungsquantums h mit Hilfe des Fotoelektrischen Effektes Auf einer optischen Bank sind eine Quecksilberniederdrucklampe, ein verstellbarer Spalt, eine Sammellinse mit 100 mm Brennweite, ein optisches Gitter mit einer Gitterkonstanten von 600 Linien / mm, ein Schirm und eine Fotozelle nacheinander aufgebaut. Abb.1(Optische Bank) Schalten Sie die Quecksilberniederdruckdampflampe, auch kurz Hg Lampe genannt, am Hochspannungsversorgungsmodul ein. Abb.2(Drossel) Beachten Sie, dass die volle Intensität der Lichtquelle erst ca. nach 10 Minuten erreicht wird. Hinweis: Schalten Sie nie die Hg Lampe aus und in den nächsten 5 Minuten wieder ein! (Vorzeitiges Wiedereinschalten kann zur Zerstörung der Lampe führen.)

8 Schließen Sie jetzt die Lichteintrittsöffnung, indem Sie den Schieber auf die Bildmarkierung Zu bewegen. Abb.3(Fotozelle) Nun wird der Messverstärker mit der Fotozelle in Betrieb genommen, indem Sie die Betriebsart Elektrometer und eine Verstärkung von 10^0 wählen. Gleichen Sie nun das Potential der Fotokathode durch Niederdrücken der Taste 0 am Messverstärker aus; stellen Sie die Anzeige mit dem Stellknopf 0 auf Null. Hinweis: Betätigen Sie vor jeder Messung der Fotospannung die 0 Taste!

Die Spektralzerlegung des Lichtes erfolgt mit einem Gitter (600 Linien/mm). Abb.4(Gitter) Dieses Gitter sollte stets in einem rechten Winkel zur Lichtquelle stehen.

9 Die Spektralzerlegung des Lichtes erfolgt mit einem Gitter (600 Linien/mm). Abb.4(Gitter) Dieses Gitter sollte stets in einem rechten Winkel zur Lichtquelle stehen. Sie sehen nun das Spektrum der Hg Lampe auf dem Schirm vor der Fotozelle. Stellen Sie mit Hilfe der Rändelschraube an der Oberseite des Spaltes ein diskretes Linienspektrum ein, d.h. es müssen einzelne klar definierte Farblinien zu sehen sein. Abb.5(Spalt) Falls notwendig fokussieren Sie das Linienspektrum mittels Sammellinse. Die Linie muss scharf auf der Fotokathode abgebildet sein. Suchen Sie das Linienspektrum der 1-ten Ordnung, und führen Sie jetzt die Messung der Fotogegenspannung U g mit den verschiedenen Spektrallinien durch.

10 Hinweis: Die 1- te Ordnung des Spektrum liegt rechts oder links des hellen Lichtstreifens, der ohne Ablenkung durch das Gitter fällt. Abb.6(Hg Spektrum) Benutzen Sie hierbei die aushängende Tabelle zum Linienspektrum der Hg Lampe, um die zur jeweiligen Farbe zugehörige Frequenz zu ermitteln. Nehmen Sie mindestens sieben Messwerte auf. Sie erhalten nun vom Betreuer ein Graustufenfilter, der vor die Öffnung der Fotozelle aufgesteckt wird. Abb.7(Graustufenfilter) Führen Sie jetzt dieselbe Messreihe erneut durch und tragen die Messwerte in die Tabelle ein.

Entfernen Sie nun das Gitter und den Graustufenfilter von der optischen Bank und stecken eines der beiden Filter (grün λ = 525nm bzw. gelb λ = 580 nm ) vor die Öffnung der Fotozelle. Abb.

11 Entfernen Sie nun das Gitter und den Graustufenfilter von der optischen Bank und stecken eines der beiden Filter (grün λ = 525nm bzw. gelb λ = 580 nm ) vor die Öffnung der Fotozelle. Abb. 8(Oranges und grünes Filter) Hier durch erhalten Sie zwei neue Messpunkte. Tragen Sie die Messwerte in die Tabelle bzw. Diagramm ein. Erstellen Sie eine Tabelle nach folgendem Muster: Farbe Intensität Fotospannung U / mv Wellenlänge λ Frequenz f / 10^14 Hz Violett Sehr stark grün stark gelb schwach Diskutieren Sie ihr Messergebnis.

12 Erstellen Sie nun ein Diagramm nach folgendem Muster: U / V 1,5 1,4 1,3 1,2 1,1 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0-0, ,2-0,3-0,4-0,5-0,6-0,7-0,8-0,9-1 -1,1-1,2-1,3-1,4-1,5 f / 10^14 Hz 8 Stellen Sie beide Messreihen, einmal ohne Graustufenfilter und einmal mit Graustufenfilter, in ein Diagramm ein. Tragen Sie eine Ausgleichsgerade in das Diagramm ein. Ermitteln Sie die Steigung der Gerade, die Planck Konstante h, die Grenzfrequenz f g und die Austrittsarbeit Wa. Die Grenzfrequenz f g ergibt sich aus dem Schnittpunkt der Ausgleichsgeraden mit der Abszisse. Die Planck Konstante h ergibt sich aus der Multiplikation der Steigung der Ausgleichsgeraden mit der Elementarladung e = 1,602 * 10^-19 As. Wenn man h bestimmt hat, lässt sich Wa auch aus dem Schnittpunkt der Ausgleichsgeraden, der so genannten Grenzfrequenz f g für die U g = 0 wird, berechnen. Für diesen Fall ist Wa = h fg (1) Berechnen Sie ferner den relativen Fehler e rel e rel XMess = 1 (2) XWahr

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