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. 2 die Beobachtungen der vier Teilversuche a), b), c) und d).
Zusammenhang zwischen der Lichtintensität \(J\) und der Stromstärke \(I\)
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.
Zusammenhang zwischen Strom \(I\) und Lichtfrequenz \(f\)
Aufgabe
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?