Untersuchung der Entladung von Metallplatten durch Licht
Aufbau
Eine frisch mit Sandpapier abgeschmirgelte Zinkplatte wird auf den Kopf des Elektroskops gesteckt. In einigen Zentimetern Abstand von der Zinkplatte wird eine geerdete Drahtspirale aufgestellt.
Als Lichtquelle dient eine Quecksilberdampflampe (Hg-Lampe), die sowohl sichtbares als auch ultraviolettes Licht aussendet.
Das Laden der Platte erfolgt mittels einer Hochspannungsquelle oder mit geriebenen Stäben (der mit dem Katzenfell geriebene Hartgummistab liefert negative Ladung; der mit Leder geriebene Glasstab positive Ladung).
1. Teilversuch : Bestrahlen einer zunächst ungeladenen (a) und später positiv geladenen (b) Platte
Durchführung
Die Zinkplatte ist zunächst ungeladen und wird später positiv geladen und jeweils mit dem Licht der Quecksilberdampflampe bestrahlt.
Beobachtung
Aufgabe
Formuliere mit Hilfe der Animation in Abb. 2 die Beobachtungen des 1. Teilversuchs.
2. Teilversuch : Bestrahlen einer negativ geladenen Platte
Durchführung
Die Zinkplatte wird negativ geladen und mit dem Licht der Quecksilberdampflampe bestrahlt.
Beobachtung
Aufgabe
Formuliere mit Hilfe der Animation in Abb. 3 die Beobachtungen des 2. Teilversuchs.
Erklärung
Aufgabe
Formuliere eine zusammenfassende Erklärung für die Beobachtungen des 1. und des 2. Teilversuchs.
Die Animation in Abb. 4 zeigt das klassische Verfahren, um zum einen das Ladungsvorzeichen der Teilchen zu bestimmen, die bei der Bestrahlung mit UV-Licht aus der Zinkplatte ausgelöst werden.
Zum anderen kann man mit dieser Anordnung auch die spezifische Ladung dieser Teilchen bestimmen, wenn man einige messbare Parameter der Anordnung kennt.
Aufgabe
Erkläre, inwiefern es mit der in Abb. 4 skizzierten Anordnung möglich ist, die Identität der beim Photoeffekt ausgelösten negativen Ladungsträger zu klären.
3. Teilversuch : Bestrahlen einer negativ geladenen Platte, vor der sich eine Glasscheibe befindet (a) und Vergrößern der Strahlungsintensität bei weiterhin vorhandener Glasscheibe (b)
Aufbau und Durchführung
Die Zinkplatte auf dem Elektroskop wird negativ geladen und anschließend mit Licht der Quecksilberdampflampe bestrahlt und zugleich eine Glasplatte in den Strahlengang gebracht.
Anschließend wird die Bestrahlungsintensität an der Zinkplatte dadurch erhöht, dass man die Quecksilberdampflampe annähert.
Beobachtung
Aufgabe
Formuliere mit Hilfe der Animation in Abb. 5 die Beobachtungen des 3. Teilversuchs.
Aufgabe
Erläutere, inwiefern die Deutung dieses Versuches mit dem Wellenmodell des Lichts Schwierigkeiten bereitet.
Das Einbringen der Glasplatte bewirkt, dass die kurzwellige UV-Strahlung der Quecksilberdampflampe nicht mehr auf die Zinkplatte trifft. Betrachte hierzu auch die Transmissionskurve von Licht durch Fensterglas in Abb. 6.
Erklärung
Aufgabe
Formuliere eine zusammenfassende Erklärung für die Beobachtungen des 3. Teilversuchs.
Untersuchung des Stroms bei der Entladung von Metallplatten durch Licht
Aufbau
Eine frisch mit Sandpapier abgeschmirgelte Zinkplatte wird an den negativen Pol einer Hochspannungsquelle angeschlossen. In einigen Zentimetern Abstand von der Zinkplatte wird eine Drahtspirale als Gegenektrode aufgestellt, die an den positiven Pol der Hochspannungsquelle angeschlossen ist. Zwischen der negativ geladenen Platte und der Drahtspirale herrscht eine Spannung von ca. \(1\,\rm{kV}\).
Der an der Gegenelektrode ankommende Strom negativer Ladungen wird mit einem Messverstärker samt angeschlossenem Anzeigegerät registriert.
Als Lichtquelle dient eine Quecksilberdampflampe (Hg-Lampe), die sowohl sichtbares als auch ultraviolettes Licht aussendet.
Durchführung
Die nebenstehende Animation zeigt die Durchführung folgender Teilversuche:
a) Beleuchtung der Zinkplatte mit Hg-Lampe (ohne Glasplatte im Strahlengang) aus großer Entfernung.
b) Annäherung der Hg-Lampe an die Zinkplatte (ohne Glasplatte im Strahlengang).
c) Beleuchtung der Zinkplatte mit Hg-Lampe (mit Glasplatte im Strahlengang) aus großer Entfernung.
d) Annäherung der Hg-Lampe an die Zinkplatte (mit Glasplatte im Strahlengang).
Beobachtung
Aufgabe
Formuliere mit Hilfe der Animation in Abb. 7 die Beobachtungen der vier Teilversuche a), b), c) und d).
Aufgabe
Zusammenhang zwischen der Lichtintensität \(J\) und der Stromstärke \(I\)
Formuliere einen qualitativen Zusammenhang zwischen der Lichtintensität \(J\) und der Stromstärke \(I\) bei Teilversuch b).
In der folgenden Tabelle ist der Zusammenhang zwischen dem Abstand \(d\) von Zinkplatte und Hg-Lampe und der Stromstärke \(I\), die vom Messverstärker registriert wird, angegeben. Bei der Messung wurde die Zinkplatte immer voll beleuchtet. Als Abstand \(d\) wurde der Abstand vom Leuchtpunkt der Lampe zur Platte.
| Abstand \(d\) in \(\rm{cm}\) | \(20\) | \(40\) | \(60\) |
|---|---|---|---|
| Stromstärke \(I\) in \(10^{-9}\,\rm{A}\) | \(3{,}2\) | \(0{,}80\) | \(0{,}40\) |
Hinweise:
- Die Energie einer (punktförmigen) Lichtquelle verteilt sich auf einer Kugeloberfläche \(O = 4 \cdot \pi \cdot d^2\).
- Die Intensität \(J\) ist die Energie pro Fläche und Zeiteinheit. Für sie gilt somit \(J = \frac{E}{O \cdot t}\).
Untersuche rechnerisch, ob sich aus den Messwerten in Tab. 1 ein proportionaler Zusammenhang zwischen \(J\) und \(I\) bestätigen lässt.
Beschreiben Sie in einigen Sätzen, welche "atomaren Vorgänge" sich bei den Teilversuchen 1 und 2 abspielen.
Aufgabe
Zusammenhang zwischen Strom I und Lichtfrequenz f
Erläutere, warum bei Teilversuch 3 der Strom auf Null abfällt, obwohl scheinbar die Helligkeit auf der Zinkplatte nicht merklich nachlässt. Ziehe dazu die nebenstehende Transmissionskurve mit in Betracht. Sie zeigt, welcher Prozentsatz des Lichtes einer bestimmten Wellenlänge durch Fensterglas hindurch tritt.
Bei Teilversuch 4 wird die Lichtintensität (mit Glasplatte im Strahlengang) erheblich gegenüber Teilversuch 3 gesteigert. Welchen Schluss kann man daraus ziehen, dass der Strom trotzdem beim Wert Null bleibt?