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Versuche

Photoeffekt (Simulation)

 
 
   
   
 
   
   
 
   
©  W. Fendt 2000
HTML5-Canvas nicht unterstützt!
Abb. 1 Simulation des Photoeffekts

Die folgende Simulation zeigt einen Versuchsaufbau zur Bestimmung des PLANCKschen Wirkungsquantums \(h\) und der Austrittsarbeit \(W_{\rm A}\): Aus dem Licht einer Quecksilberdampflampe wird eine einzige Spektrallinie herausgefiltert. Dieses Licht trifft auf die Kathode (K) einer Photozelle und löst dort den Photoeffekt aus (oder auch nicht). Um die maximale kinetische Energie der austretenden Elektronen zu bestimmen, wird mit Hilfe einer Potentiometerschaltung eine Gegenspannung so weit erhöht, bis die Elektronen nicht mehr an der Anode (A) ankommen. Das blaue Messgerät zeigt den Wert dieser Gegenspannung an. Ob noch Elektronen die Anode erreichen, ist an dem roten Messgerät erkennbar.

Auf der Schaltfläche lassen sich das Kathodenmaterial, die Wellenlänge und die Gegenspannung einstellen. Die angegebenen Zahlenwerte beziehen sich auf die Frequenz des Lichtes und die Energiebilanz beim Photoeffekt. Die Messergebnisse werden links unten in ein Frequenz-Spannungs-Diagramm eingezeichnet, können aber mithilfe des Schaltknopfs wieder gelöscht werden.

Die Auswertung der beiden Messreihen (für Caesium und Natrium) mit Hilfe des \(f\)-\(U\)-Diagramms ergibt zwei parallele Geraden. Aus der Steigung dieser Geraden lässt sich das plancksche Wirkungsquantum berechnen. Die Austrittsarbeit für das jeweilige Kathodenmaterial (in \(\rm{eV}\), d.h. Elektronenvolt) ergibt sich unmittelbar aus dem Schnittpunkt mit der senkrechten Achse.

Wir danken Herrn Walter Fendt für die Erlaubnis, diese HTML5/Javascript-Animation auf LEIFIphysik zu nutzen.

Aufgabe

Untersuche, bei welchen Filtern (Wellenlängen) bei Natrium keine Elektronen aus der Kathode austreten.

Lösung

Bei Natrium treten bei gelbem (578nm) und grünem (546 nm) Licht noch keine Elektronen aus.

Bestimme für Natrium für violett (436 nm) und UV (254nm) die maximale kinetische Energie der ausgelösten Elektronen.

Lösung

Gegenspannung beim violetten Licht (436 nm): 0,55 V ; also beträgt die maximale Elektronenenergie 0,55 eV.

Gegenspannung beim ultravioletten Licht (254 nm): 2,60 V ; also beträgt die maximale Elektronenenergie 2,60 eV.

Bestimme für Natrium aus den beiden in vorhergehenden Aufgabenteil ermittelten Werten rechnerisch die Austrittsarbeit und die Größe des planckschen Wirkungsquantums.

Lösung

Ausgangsgleichungen: Ekin = h·f - WA; und f = c/λ

Violettes Licht: 0,55 eV = h·6,88·1014 Hz - WA (1)

Ultraviolettes Licht: 2,60 eV = h·11,81·1014Hz - WA (2)

(2) - (1): 2,60 eV - 0,55 eV = h·(11,81·1014 - 6,88·1014)Hz   =>   2,05 eV = h·4,93·1014 Hz => h = 4,16·10-15 eVs = 6,66·10-34 Js