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TUM School of Natural Sciences |
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Photoeffekt: Bestimmung von h
Kurzbeschreibung
Man beleuchtet mit einer Halogenlampe Interferenzfilter, deren Einzelfrequenzen genau bekannt sind.
Mit diesen Frequenzen wird nacheinander eine Photozelle (PbS-Fotokatode)
bestrahlt und die abgegebene Fotospannung mit einem extrem hochohmigen Spannungsmesser
(Ri ≥ 1013 Ω) direkt gemessen. Die Fotozelle befindet sich in einem gegen
Störfelder abschirmenden Gehäuse. Vor die seitliche Lichteintrittsöffnung
werden die Interferenzfilter gestellt. Die Öffnung ist durch einen Schieber verschließbar.
Wenn Licht auf die Fotokatode trifft, werden aufgrund des äußeren lichtelektrischen Effekts Fotoelektronen
emittiert, vorausgesetzt die Energie der Lichtquanten ist größer als die für das Austreten aus der Fotokatode
benötigte Energie (Austrittsarbeit Wa). Die kinetische Energie
der Fotoelektronen Wk ist um so größer, je größer die Energie
h·f der Lichtquanten ist: Wk = h·f – Wa. (1)
Die Fotoelektronen gelangen zur Anode und laden diese negativ auf. Die Potenzialdifferenz wächst bis zu
einem Grenzwert UG an, der dann erreicht ist, wenn die komplette
kinetische Energie Wk der Fotoelektronen benötigt wird, um die aufgebaute Potenzialdifferenz
UG ≥ zu überwinden:
Wk = e·UG. (2)
(e = Elementarladung = 1,602 10-19 A·s)
Aus den Gleichungen (1) und (2) erhält man e·UG = h·f – Wa. (3)
Misst man UG bei wenigstens zwei Wellenlängen, so kann man die beiden Unbekannten h und Wa
aus Gleichung (3) bestimmen. Normalerweise macht man jedoch mehr als zwei Messungen und trägt UG
als Funktion von f auf. Nach entsprechendem Umformen von (3) in UG=h·f/e - Wa/e (4)
erkennt man, dass sich eine Gerade mit der Steigung h/e ergibt. Aus dem negativen Ordinatenabschnitt lässt
sich die Austrittsarbeit abschätzen. Der Wert hat bei PbS-Kathoden allerdings nicht die Bedeutung einer
physikalischen Naturkonstanten, sondern wird wesentlich durch die Technik der Fotokatodenherstellung
beeinflusst. Wenn man h bestimmt hat, läßt sich Wa auch aus dem Schnittpunkt
der Ausgleichsgeraden mit der Abszisse, der sogenannten Grenzfrequenz fmin (gebräuchlicher ist die
langwellige Grenzwellenlänge λmax = c/fmin) für die UG = 0 wird,
berechnen. Für diesen Fall ist Wa = h·f min.
Da an den einzelnen Standorten unterschiedliche Filter zur Verfügúng stehen liegen entsprechende Exceltabellen zur Auswertung auf dem Zentral-PC.
Betriebsanleitungen: Lampen, Elektrogeräte
