Plancksche Konstante

2
Physikalisches Grundlagenlabor
Grundlagen
2.1
Fachbegriffe
2.2
Theorie
Die Fotozelle besteht aus einem evakuierten Glaskolben mit einer flächenhaften Alkalimetallelektrode und einem Platinring als Gegenelektrode. Aus der
Alkalischicht werden durch Bestrahlung mit Licht Elektronen ausgelöst. Die
kinetische Energie dieser Elektronen hängt linear von der Frequenz des eingestrahlten Lichts ab:
Versuch 5.4 Bestimmung der Planckschen Konstanten h
Wkin = h · f − WA
1
Geräte
(1)
h · f ist die Energie des auftreffenden Photons und WA die Arbeit, die zum
Ablösen eines Elektrons aus dem Alkalimetall aufgewendet werden muss. Misst
man die kinetische Energie der Elektronen für verschiedene Frequenzen des eingestrahlten Lichts, so kann man aus der Steigung der Geraden durch die Messpunkte die Plancksche Konstante h bestimmen. Die Messung der kinetischen
Energie der Elektronen geschieht auf folgende Weise: An die Ringelektrode der
Fotozelle wird eine gegen die Alkalimetall–Elektrode negative Spannung gelegt
und so lange erhöht, bis der durch die Fotozelle fliessende elektrische Strom
Null wird. Bei dieser Gegenspannung U0 können die schnellsten Elektronen den
Platinring gerade nicht mehr erreichen, d.h. es gilt
• Xenon–Hochdrucklampe mit Kondensor
• Gitter–Monochromator
• Fotozelle mit Gehäuse, optische Bank mit Zubehör
• Gleichstrom–Messverstärker mit Drehspulinstrument
Wkin = e · U0 + WP − WA ,
(2)
• Multimeter zur Messung der Gegenspannung
WP −WA ist die Differenz der Elektronen–Austrittsarbeiten aus dem Platinring
und der Alkalimetallschicht.
• Batterien und Potentiometer
1
erstellt: 26.8.2016
3
Versuch
Gitter-Monochromator:
Versuchsaufbau(Bild 1, Seite 2): Das Licht derer Xenonlichtquelle wird mit
dem Kondensor auf den Eingang des Gitter–Monochromators gebündelt. Im
Monochromator wird das Licht spektral zerlegt und so auf den Ausgangsspalt
abgebildet, dass nur Licht einer bestimmten Wellenlänge austritt und auf die
Alkalimetallschicht der Fotozelle auftrifft. Der Platinring der Fotozelle darf
durch das einfallende Licht nicht direkt bestrahlt werden.
Lampe
GitterMeßver-
Monochromator
stärker
V
Alkalimetall
Spalt
Platinring
Abbildung 2: Strahlverlauf im Monochromator
Kondensor
V
-
WICHTIGER HINWEIS:
+
Erhöht man die Gegenspannung über U0 hinaus, so kann man u.U.
einen elektrischen Strom in der Gegenrichtung beobachten, der schnell
einen spannungsunabhängigen Wert annimmt. Er rührt von Elektronen her, die am Platinring ausgelöst werden, wenn dieser durch Alkalimetall verunreinigt ist, das von der Alkalimetallelektrode abdampft.
Da hierdurch das Messergebnis verfälscht wird, ist diese Schicht durch
Heizen des Platinrings wieder zu entfernen. Dazu wird (Ausführung
durch das Laborpersonal!) bei unbeleuchteter Fotozelle, einer Gegenspannung von 1 − 2V und betriebsbereitem Messverstärker an die
herausgeführten Enden der Ringelektrode über einen Stelltrafo eine
Wechselspannung von 2V so lange angelegt, bis gerade ein Strom von
der Platinelektrode zur Alkalimetallelektrode zu fliessen beginnt. In
Abbildung 1: Prinzipskizze des Versuchaufbau
Der Monochromator (Bild 2, Seite 2) erlaubt die Auswahl von Wellenlängen
aus dem Bereich von 400nm bis 600nm. Der elektrische Strom durch die Fotozelle wird mit dem Gleichstrom–Messverstärker gemessen. Die Bedienungsanleitung für den Messverstärker ist zu beachten! Die Gegenspannung wird mit
einem Potentiometer so eingestellt, dass das Drehspulinstrument den Strom
Null anzeigt.
2
erstellt: 26.8.2016
diesem Moment ist die Heizung zu unterbrechen. Längere Heizung
oder Heizung bei einer anderen Spannung kann zur Schädigung der
Elektroden führen.
4
Aufgabe
Vor der Inbetriebnahme des Versuchs ist die Schaltung vom Laborpersonal abzunehmen!
Für mindestens 20 verschiedene Frequenzen wird die Gegenspannung U0 gemessen.
Die Messreihe wird zweimal wiederholt. Mit Hilfe einer Regressionsrechnung
werden die Plancksche Konstante h und ihr Messfehler bestimmt.
Die Messpunkte und die Ausgleichsgerade sind graphisch darzustellen.
3
erstellt: 26.8.2016