Physikalisches Praktikum Platzanleitung HB Versuch HB: Äußerer

Physikalisches Praktikum
Platzanleitung HB
Versuch HB: Äußerer lichtelektrischer Effekt
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Aufgabenstellung
Bestimmung des Planckschen Wirkungsquantums h und der Ablösearbeit f A für das Anodenmaterial einer
Photozelle durch Ausnutzung des äußeren lichtelektrischen Effekts. Weiterhin sind typische Eigenschaften einer
Photozelle, wie Sättigungsstrom und Linearität der Lichtempfindlichkeit, zu ermitteln.
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Versuchsdurchführung
2.1 Justierung der Photozelle und Schaltungsaufbau
Die Photozellenbox ist oben zu öffnen. Das Licht der Halogenlampe ist so auf die Photokatode - Rückseite der
Photozelle - zu justieren, dass eine kleine, möglichst intensive Belichtungsfläche entsteht und dass die
ringförmige Anode keinesfalls direkt belichtet wird. Die Justierung ist am besten mit grünem Licht durchführbar.
Der Aufbau der Messanordnung erfolgt danach entsprechend dem Schaltbild aus der Praktikumsanleitung, wobei
zwei Varianten vorzusehen sind.
• Photoelementbetrieb
Ringelektrode positiv UE
• Gegenfeldbetrieb
Ringelektrode negativ UG
Die Schaltung sollte durch den Betreuer überprüft werden.
2.2 Messungen im Photoelementbetrieb
2.2.1
Aufnahme der UE-IPhot-Charakteristik der Photozelle
Im Photozellenbetrieb wird unter Verwendung von grünem Licht bei konstanter Beleuchtungsstärke der
Photokatode die Anodenspannung schrittweise von 0 bis auf +15 V gesteigert und so der Sättigungsbereich
des Photostroms IPhot, bestimmt, in dem alle aus der Kathode freigesetzten Elektronen gesammelt werden.
2.2.2
Bestimmung des Photostroms in Abhängigkeit von der Beleuchtungsstärke
Bei einer Anodenspannung UE, bei der das Erreichen des Sättigungsbereichs vom Photostrom gewährleistet ist,
wird IPhot bei verschiedenen Beleuchtungsstärken gemessen. Die Beleuchtungsstärke wird durch Einstellung
definierter Blendendurchmesser variiert.
2.3 Messungen im Gegenfeldbetrieb
2.3.1
Aufnahme von IPhot als Funktion der Spannung UG
Unter Verwendung von möglichst kurzwelligem Licht wird bei zwei unterschiedlichen Beleuchtungsstärken der
Photokatode (Nutzung von zwei Blendendurchmessern, bei denen eine direkte Belichtung der Ringelektrode
sicher ausgeschlossen werden kann) die Abhängigkeit von Iphot von der Spannung UG gemessen. Die
Gegenspannung wird von 0 bis zu -5 V variiert. Aus den beiden erhaltenen Kurven kann die „Grenzspannung“
U G0 (Photostrom wird gleich 0) ermittelt werden. Auf genügend viele Messwertepaare im Nahbereich von U G0 ist
zu achten, damit eine sichere Extrapolation ermöglicht wird ! Bei starker Vergrößerung der Gegenspannung UG
wird nach dem Nulldurchgang ein schwacher Strom entgegengesetzter Polarität gemessen (Ursache?).
2.3.2
Bestimmung von U G0 für verschiedene Wellenlängen
Unter Anwendung der Bremsfeldmethode wird für Licht verschiedener Wellenlänge durch Variation der
Gegenspannung der Wert für
U G0 ermittelt, bei dem IPhot gleich 0 wird. (z.B. aus der Polaritätsänderung der IPhot-
Anzeige oder durch sorgfältige Messungen von IPhot im Nahbereich von
U G0 und Extrapolation). Diese U G0 -
Bestimmung wird für alle 7 Wellenlängen durchgeführt.
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Auswertung der Messergebnisse
•
•
Aus dem Diagramm IPhot = f(UE) lässt sich die Arbeitspannung der Photozelle im Photoelementbetrieb
angeben.
Aus dem Diagramm IPhot = f(Blendengröße) ist der Linearitätsbereich der Lichtempfindlichkeit der
Photozelle ablesbar.
•
Die Abhängigkeit IPhot = f(UG) ermöglicht die Bestimmung von
U G0 sowie Aussagen über den Zustand
der Photozelle und die Perfektion der Bestrahlungsgeometrie.
•
Aus der graphischen Darstellung
U G0 = f(ν) sind h und die Austrittsarbeit ϕA zu bestimmen. Der
0
maximale Fehler von h ist unter Berücksichtigung von ∆ U G und ∆λ zu ermitteln.
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Angaben zum Messzubehör
Messstäbe zur Bestimmung der Blendendurchmesser
Messstab
A
B
C
D
E
F
Durchmesser in mm
2,1 ± 0,1
3,1 ± 0,1
5,6 ± 0,1
8,0 ± 0,1
10,1 ± 0,1
15,0 ± 0,1
Filtersätze an den Versuchsplätzen (∆λ = Halbwertsbreite der gefilterten Wellenlänge ? )
Filtersatz 1
Farbe
UV-violett
violett
dunkelblau
blaugrün
grün
gelb
rot
λ in nm
368
408
437
492
544
578
625
∆λ in nm
10
9
8,5
4
8
7
8
Filtersatz 2
Farbe
UV-violett
violett
dunkelblau
blaugrün
grün
gelb
rot
λ in nm
370
401
432
492
549
578
655
∆λ in nm
10
9
8,5
4
8
7
8