Lösungen zur Klausur2 LK

LK Physik
Fotoeffekt – quantitativ-Lösungen
a)
damit Licht Elektronen aus Metallen ablösen kann, muss h.f >WA(Ablösearbeit) sein.
Für Licht mit 633nm Wellenlänge ist f= 4,74.1014 Hz, also h.f=3,15.10-19J=1,97eV >1,5eV(WA).
Wkin,Elektron= h.f- WA = 1,97eV-1,5eV=0,47eV=7,52.10-20J.
Wkin,Elektron=1/2mv2 ⇒ v=4,1.105m/s (gerundet).
b)
Die Stromstärke steigt mit der Saugspannung an, da immer mehr
der von der Kathode ausgelösten Elektronen auf den Ring
gezogen werden. Allerdings gibt es einen Sättigungswert
(maximalen Wert) der Stromstärke, dann nämlich wenn alle
ausgelösten Elektronen auf den Ring gezogen werden. Größer
kann die Stromstärke nicht werden (weil die Saugspannung selbst
nicht in der Lage ist Elektronen aus dem Metall der Kathode
abzulösen)
Bei geringerer Lichtleistung ist die Sättigungsstromstärke
geringer, d.h. die Kurve verläuft flacher
c)
Sättigungsstromstärke Imax = 0,002A das entspricht einem Fluss von 1,25.1016 Elektronen/s, also auch 1,25.1016
Photonen (denn jedes Photon löst nur genau ein Elektron aus). Da aber der „Wirkungsgrad“ 3,9% beträgt, treffen
in Wirklichkeit 1,25.1016 /0,039=3,2.1017 Photonen auf die Kathode pro Sekunde. Jedes Photon hat die Energie
3,15.10-19J (siehe oben); damit ist die Lichtleitung des Lasers 0,1W(Joule/s).
d)
U=(h.f-WA)/e ; λ=c/f
Wellenlänge
Energie eines Photons
Fotospannung
405nm
3,07eV
1,57V
436nm
2,86eV
1,36V
490nm
2,54eV
1,04V
Keine Elektronen werden ausgelöst wenn h.f<WA ⇒ h.c/λ<WA ⇒ λ0>hc/ WA
Die Fotospannung ändert sich nicht mit der Intensität der Lichtquelle, da die Wellenlänge/Frequenz dabei
unverändert bleibt. (Es ändert sich nur die Zahl der ausgelösten Elektronen, nicht aber ihre Energie und deshalb
auch nicht die Fotospannung)
e)
Die Energie eines einzigen Photons ist wieder h.f=3,15.10-19J.
Also emittiert die Leuchtdiode 0,001W/3,15.10-19J=3,17.1015 Photonen/s.
Die Kugeloberfläche mit Radius 5m um die Leuchtdiode beträgt 314m2. Die Fläche der APD ist davon der
Bruchteil 6,4.10-10. Also treffen auf die APD 2.106Photonen/s, wovon aber nur 2%, also 10600 (gerundet)
detektiert werden.