Kurzbeschreibung

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.

Versuchsziele

Grundlagen

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.

Material

1 Virtuelles Experiment: Bestimmung des Planckschen Wirkungsquantums   5208102  

Versuchsbeschreibung

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.

Aufbau

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.

Elektrische Verbindungen im Versuchsaufbau

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.

Durchführung

  1. Starte das Video und beobachte den Verlauf des Fotostromes I im Diagramm bei abnehmender Gegenspannung U für die fünf verschiedenen im Verlauf des Versuches verwendeten Wellenlängen λ.

    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.

Beobachtung

  1. Verändere den Bereich der jeweiligen Achse, falls es für die Auswertung notwendig ist.

  2. Als Maß für die Energie der Elektronen dient die Schwellenspannung US, d.h. die Gegenspannung, bei der ein kleiner Fotostrom fließt. Lege dazu für jede Kurve eine horizontale Gerade ca. 50 pA oberhalb des horizontalen Abschnitts im linken Teil der jeweiligen Kurve. Bestimme mit Hilfe des Schiebereglers für U anschließend die Spannung, bei der die Kurve diese Gerade schneidet.

Fotostrom I in Abhängigkeit von der Gegenspannung U

Auswertung

  1. Werte die aufgenommenen Messreihen mit den Schiebereglern für den Fotostrom I und Spannung U aus und trage jeweils den Wert für die Schwellenspannung US in die Tabelle ein.
  2. Aus der Spannung US wird dann mithilfe der Elementarladung Q automatisch die Energie E berechnet, bei der der Fotostrom I anfängt zu fließen.

    Hinweis: zJ = Zepto Joule = 10-21 J.

Wellenlänge λ:nm Frequenz ν:THz Schwellenspannung US:V Energie E:zJ
       
       
Gemessene Energie E der Elektronen über den Frequenz f des anregenden Lichts
  1. Durch eine Ausgleichsgerade kann die Änderung der Energie mit wechselnder Frequenz des Lichtes, also indirekt der Wellenlänge bestimmt werden. Nutze dazu den folgenden Button.

Ergebnis

  1. Nenne den hier ermittelten Wert für das Plancksche Wirkungsquantum h, der sich aus der Steigung der obigen Ausgleichsgeraden ablesen lässt.

    Der Wert beträgt h = 0,667 zJ/THz

  2. Für die in der Auswertung verwendeten Einheiten ergibt sich zJ:THz. In gängigen SI-Einheiten wird dies zu und der hier ermittelte Wert für das Plancksche Wirkungsquantum beträgt in SI-Einheiten h = 6,67 .

Zusatzaufgaben

  1. Bewerte die Genauigkeit des Ergebnisses und begründe, warum es möglicherweise zu Abweichungen vom Literaturwert mit h = 0,662607015 zJ/THz kommt?

    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.

  2. Die Untersuchungen in diesem Experiment beruhen darauf, dass Licht unterschiedlicher Wellenlängen Elektronen aus der Kathode auslösen. Kreuze von den folgenden Aussagen diejenigen an, die richtig sind.

    Hinweis: Es kann mehrere richtige Antworten geben.