Versuchsdurchführung und Auswertung - physik.fh

Versuchsdurchführung
Bestimmung des Planckschen Wirkungsquantums h mit Hilfe des
Fotoelektrischen Effektes
Auf einer optischen Bank sind eine Quecksilberniederdrucklampe, ein
verstellbarer Spalt, eine Sammellinse mit 100 mm Brennweite, ein optisches
Gitter mit einer Gitterkonstanten von 600 Linien / mm, ein Schirm und eine
Fotozelle nacheinander aufgebaut.
Abb.1(Optische Bank)
Schalten Sie die Quecksilberniederdruckdampflampe, auch kurz Hg – Lampe
genannt, am Hochspannungsversorgungsmodul ein.
Abb.2(Drossel)
Beachten Sie, dass die volle Intensität der Lichtquelle erst ca. nach 10 Minuten
erreicht wird.
Hinweis: Schalten Sie nie die Hg – Lampe aus und in den nächsten 5 Minuten
wieder ein! (Vorzeitiges Wiedereinschalten kann zur Zerstörung der Lampe
führen.)
Schließen Sie jetzt die Lichteintrittsöffnung, indem Sie den Schieber auf die
Bildmarkierung „Zu“ bewegen.
Abb.3(Fotozelle)
Nun wird der Messverstärker mit der Fotozelle in Betrieb genommen, indem
Sie die Betriebsart „Elektrometer“ und eine Verstärkung von „10^0“ wählen.
Gleichen Sie nun das Potential der Fotokathode
durch Niederdrücken der Taste „0“ am Messverstärker aus; stellen Sie die
Anzeige mit dem Stellknopf „0“ auf Null.
Hinweis: Betätigen Sie vor jeder Messung der Fotospannung die „0“ – Taste!
Die Spektralzerlegung des Lichtes erfolgt mit einem Gitter (600 Linien/mm).
Abb.4(Gitter)
Dieses Gitter sollte stets in einem rechten Winkel zur Lichtquelle stehen.
Sie sehen nun das Spektrum der Hg – Lampe auf dem Schirm vor der Fotozelle.
Stellen Sie mit Hilfe der Rändelschraube an der Oberseite des Spaltes ein
diskretes Linienspektrum ein, d.h. es müssen einzelne klar definierte Farblinien
zu sehen sein.
Abb.5(Spalt)
Falls notwendig fokussieren Sie das Linienspektrum mittels Sammellinse.
Die Linie muss scharf auf der Fotokathode abgebildet sein. Suchen Sie das
Linienspektrum der 1-ten Ordnung, und führen Sie jetzt die Messung der
Fotogegenspannung Ug mit den verschiedenen Spektrallinien durch.
Hinweis: Die 1- te Ordnung des Spektrum liegt rechts oder links des hellen
Lichtstreifens, der ohne Ablenkung durch das Gitter fällt.
Abb.6(Hg Spektrum)
Benutzen Sie hierbei die aushängende Tabelle zum Linienspektrum der Hg –
Lampe, um die zur jeweiligen Farbe zugehörige Frequenz zu ermitteln.
Nehmen Sie mindestens sieben Messwerte auf.
Sie erhalten nun vom Betreuer ein Graustufenfilter, der vor die Öffnung der
Fotozelle aufgesteckt wird.
Abb.7(Graustufenfilter)
Führen Sie jetzt dieselbe Messreihe erneut durch und tragen die Messwerte in
die Tabelle ein.
Entfernen Sie nun das Gitter und den Graustufenfilter von der optischen Bank
und stecken eines der beiden Filter (grün λ = 525 nm bzw. gelb λ = 580 nm ) vor
die Öffnung der Fotozelle.
Abb. 8(Oranges und grünes Filter)
Hier durch erhalten Sie zwei neue Messpunkte.
Tragen Sie die Messwerte in die Tabelle bzw. Diagramm ein.
Erstellen Sie eine Tabelle nach folgendem Muster:
Farbe
Intensität
Fotospannung
U / mV
Wellenlänge
λ
Frequenz
f / 10^14 Hz
Violett
Sehr stark
…
…
…
grün
stark
…
…
…
gelb
schwach
…
…
…
Diskutieren Sie ihr Messergebnis.
U/V
Erstellen Sie nun ein Diagramm nach folgendem Muster:
1,5
1,4
1,3
1,2
1,1
1
0,9
0,8
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0
-0,1 0
-0,2
-0,3
-0,4
-0,5
-0,6
-0,7
-0,8
-0,9
-1
-1,1
-1,2
-1,3
-1,4
-1,5
1
2
3
4
5
6
7
f / 10^14 Hz
Stellen Sie beide Messreihen, einmal ohne Graustufenfilter und einmal mit
Graustufenfilter, in ein Diagramm ein.
Tragen Sie eine Ausgleichsgerade in das Diagramm ein. Ermitteln Sie die
Steigung der Gerade, die Planck Konstante h , die Grenzfrequenz fg und die
Austrittsarbeit Wa .
Die Grenzfrequenz fg ergibt sich aus dem Schnittpunkt der Ausgleichsgeraden
mit der Abszisse.
Die Planck Konstante h ergibt sich aus der Multiplikation der Steigung der
Ausgleichsgeraden mit der Elementarladung e = 1,602 * 10^-19 As.
Wenn man h bestimmt hat, lässt sich Wa auch aus dem Schnittpunkt der
Ausgleichsgeraden, der so genannten Grenzfrequenz fg für die Ug = 0 wird,
berechnen. Für diesen Fall ist
Wa = h f g
(1)
Berechnen Sie ferner den relativen Fehler e rel
erel =
XMess
−1
XWahr
(2)
8