Bei diesem virtuellen Experiment verfolgen die Schülerinnen und Schüler die Aufnahme der Strom-Spannungskennlinien einer Fotozelle bei der Bestrahlung der Kathodenfläche mit Licht verschiedener Wellenlängen. Anschließend werden aus den Kennlinien die Gegenspannungen für die verwendeten Wellenlängen bestimmt, bei denen ein kleiner Strom (z. B. 50 pA) von der Kathode zur Anode fließt.
Der theoretische Hintergrund wird in den Handblättern P6.1.4.4 'Bestimmung des Planckschen Wirkungsquantums - Aufnahme der Strom-Spannungs-Kennlinie, Wellenlängenauswahl mit Interferenzfiltern auf der optischen Bank' und P6.1.4.6 'Bestimmung des Planckschen Wirkungsquantums - Aufnahme der Strom-Spannungs-Kennlinie, Wellenlängenauswahl durch Leuchtdioden, mit Sensor-CASSY' beschrieben.
1 | Virtuelles Experiment: Bestimmung des Planckschen Wirkungsquantums | 5208102 |
Wenn Licht auf eine Metalloberfläche fällt, besteht die Möglichkeit, dass einzelne Elektronen von den Photonen des Lichts angeregt werden und die Metalloberfläche verlassen. Dies wird als photoelektrischer Effekt bezeichnet. Dabei hängt die Energie, mit der die Elektronen die Metalloberfläche verlassen, nicht von der Intensität des Lichtes, sondern von der Wellenlänge ab. Für diese Erkenntnis aus dem Jahr 1905 bekam Albert Einstein 1921 den Nobelpreis. Das Konzept der gequantelten Energie wurde kurz vorher von Max Planck (Nobelpreis 1919) entwickelt und von Einstein zur Erklärung des photoelektrischen Effekts verwendet.
Dieser Zusammenhang zwischen Licht und Elektronenenergie wird in diesem Experiment untersucht. Dabei fällt Licht aus verschiedenfarbigen Leuchtdioden (grün bis UV) auf eine im Vakuum befindliche Fotokathode aus einem Alkalimetall (Kalium auf Silberoxid). Der durch die herausgelösten Elektronen verursachte Stromfluss I wird in Abhängigkeit von einer angelegten Spannung U zwischen Kathode und Anode gemessen. Gegen diese Spannung müssen die Elektronen anlaufen. Nur Elektronen, deren kinetische Energie größer ist als die Energie, die dieser Spannung entspricht, werden die Anode erreichen und zum Fotostrom I beitragen.
In diesem Video wird der Aufbau des Experimentes gezeigt. Die Kathode der Fotozelle wird für die Strommessung durch den pA-Sensor S mit dem Sensor-CASSY verbunden.
Die Spannungsquelle für die Gegenspannung wird sowohl mit der Anode der Fotozelle als auch mit dem Spannungs-Eingang am Sensor-CASSY verbunden.
Die Leuchtdiode (hier grün) wird über den USB-Ausgang der Spannungsquelle mit Energie versorgt. Danach wird die Leuchtdiode in das Loch vor der Fotozelle geschoben und beleuchtet die Fotokathode.
Die Gegenspannung U startet bei einem Wert von -5 Volt und wird jeweils verringert, bis ein nennenswerter Fotostrom I sichtbar ist, der durch die Anregung des Lichtes fließt. Die erste Leuchtdiode ist im UV-Bereich und die Wellenlänge λ wird dann bis in den grünen Bereich des Spektrums vergrößert.
Hinweis: zJ = Zepto Joule = 10-21 J.
Wellenlänge λ:nm | Frequenz ν:THz | Schwellenspannung US:V | Energie E:zJ |
Der Wert beträgt h = 0,667 zJ/THz
Das Ergebnis hat eine Genauigkeit von etwa 6 %. Die Emission der Leuchtdioden ist nicht auf eine einzige Wellenlänge begrenzt, damit steht auch Licht etwas höherer oder niedriger Energie zur Anregung der Elektronen zur Verfügung.
Hinweis: Die Wellenlängen der in diesem Experiment verwendeten LEDs sind keine scharfen Wellenlängen, sondern die mittleren Wellenlängen eines Spektrums mit endlicher Breite.
Hinweis: Es kann mehrere richtige Antworten geben.