Physik-LK · Skript 5 · Quantenphysik

Photoeffekt: die Gegenfeldmethode

Licht fällt auf die Kathode einer Fotozelle. Zwischen Kathode und Anode liegt eine Gegenspannung U: Die Anode ist negativ, die ausgelösten Elektronen müssen gegen das Feld anlaufen. Gesucht ist die Spannung U₀, bei der der Fotostrom gerade verschwindet. Dann gilt e · U₀ = E_kin,max = h · f − E_A.

So gehst du vor

1Wähle Lichtquelle, Kathode und Helligkeit. Für die Einstein-Gerade: Hg-Lampe mit einem Filter.
2Erhöhe die Gegenspannung U in kleinen Schritten und beobachte den Strommesser.
3Für die Kennlinie bei jeder Spannung „Messwert aufnehmen“ tippen.
4Zeigt der Strommesser gerade 0,00 nA, „U als U₀ eintragen“ tippen.
5Schritt 2 bis 4 für die anderen Linien wiederholen, dann die Einstein-Gerade auswerten.

Spannungsmesser

0,00 V

Strommesser

0,00 nA

Modell: Die Elektronen bewegen sich stark verlangsamt. Der Strommesser rauscht wie ein echtes Messgerät. Die Fotozelle hat ein Quarzfenster, lässt also auch UV-Licht durch.

Lichtquelle

Quecksilberdampflampe mit Filter für einzelne Linien. Ohne Filter wirken alle Linien zugleich.

Filter

Helligkeit

70 %

Kathode

Gegenspannung U

0,00 V

1 Kennlinie: Fotostrom und Gegenspannung

Messwerte der Kathode Caesium, jede Lichtsorte in ihrer Farbe.

Messtabelle

Noch keine Messwerte. Stelle eine Gegenspannung ein und tippe auf „Messwert aufnehmen“.

2 Einstein-Gerade: Bestimmung von h

Stelle für jede einfarbige Lichtsorte die Gegenspannung ein, bei der der Strom gerade null wird, und tippe oben auf „U als U₀ eintragen“. Den Wert kannst du hier noch ändern. Kathode: Caesium.

Noch keine Werte eingetragen.

Steigung der Geraden: he (für jedes Kathodenmaterial gleich). Schnittpunkt mit der f-Achse: Grenzfrequenz f_G.

Aufträge

Caesium, Hg-Lampe mit grünem Filter (546 nm): Nimm die Kennlinie auf, etwa alle 0,05 V einen Messwert, bis der Strom null ist. Wie liest man U₀ möglichst genau ab?
Stelle die Helligkeit auf 30 % und dann auf 100 %. Was ändert sich am Strom bei U = 0, was an U₀? Erkläre mit dem Photonenmodell.
Bestimme U₀ für alle Hg-Linien, die Elektronen auslösen. Zeichne die Einstein-Gerade (auch von Hand in GoodNotes) und bestimme daraus h, E_A und f_G. Vergleiche erst danach mit der Auswertung.
Wechsle zu Zink und zur UV-Linie 254 nm. Schiebe dann die Glasscheibe in den Strahl. Was passiert, und was hat das mit dem Hallwachs-Versuch zu tun?
Hg-Lampe ohne Filter und Glühlampe: Welche Wellenlänge bestimmt jeweils U₀? Warum ist U₀ bei der Glühlampe so schwer abzulesen?
Bestimme h einmal mit den Laserpointern und einmal mit den LEDs. Warum liegen die LED-Werte etwas über der Laser-Geraden?
Wähle „Kathode X“ und bestimme ihre Austrittsenergie. Löse erst danach auf.

Theorie: Quanten-Skript, Kapitel „Der Photoeffekt“, Abschnitte „Gegenfeldmethode“ und „Bestimmung von h“, dazu „Der Hallwachs-Versuch“. Konstante im Modell: h = 4,14 · 10⁻¹⁵ eV s.