Fotozelle zur h–Bestimmung 06778.00

Betriebsanleitung
R
Abb. 1
Fotozelle zur h–Bestimmung
1. ZWECK UND BESCHREIBUNG
Die Fotozelle 06778.00 dient zur Bestimmung der Planckschen
Konstante h aus dem Fotoeffekt. Das Gerät ist mit
einer Fotozelle mit PbS-Fotokatode bestückt. Die von der
Fotozelle bei Bestrahlung mit Licht bekannter Wellenlängen
abgegebenen Fotospannungen wird mit einem extrem
hochohmigen Spannungsmesser (R i ≥ 10 13 Ω) direkt gemessen.
Folgende Experimente lassen sich durchführen:
• Demonstration des lichtelektrischen Effekts
• Bestimmung des Planckschen Wirkungsquantums h
• Abschätzung der Austrittsarbeit und der Grenzwellenlänge
der Fotokatode
Die Fotozelle befindet in einem gegen Störfelder abschirmenden
Gehäuse. Die seitliche Lichteintrittsöffnung besitzt
einen Tubus, auf den Interferenzfilter aufgesteckt werden
können. Die Öffnung ist durch einen Schieber verschließbar;
die Zustände „auf“ und „zu“ sind durch Bildzeichen
markiert.
Das Oberteil des Gehäuses mit dem aufgedruckten Schaltbild
ist nach Lösen der seitlichen Schlitzschraube annehmbar.
Die Fotozelle befindet sich in einem Rohr mit zwei
Blendenöffnungen. Der Steg zwischen den Öffnungen verhindert
die direkte Bestrahlung der zentralen Anode, wodurch
Störungen durch Fotoemission aus der Anode vermieden
werden.
Sollte einmal eine Fotozelle ersetzt werden müssen, so
senden Sie bitte das komplette Gerät an unsere Service-
Abteilung ein.
Das bei den früher verwendeten Kalium-Fotozellen erforderliche
Ausheizen der Anode ist bei den neuen PbS-Zellen
nicht mehr erforderlich, so daß sich das Experimentie-
ren erheblich vereinfacht und Beschädigungen der Röhre
nahezu ausgeschlossen sind.
2. MESSPRINZIP
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 W a ). Die kinetische Energie der Fotoelektronen
W k ist um so größer, je größer die Energie h·f der
Lichtquanten ist:
W k = h·f – W a . (1)
Die Fotoelektronen gelangen zur Anode und laden diese
negativ auf. Die Potentialdifferenz wächst bis zu einem
Grenzwert U G an, der dann erreicht ist, wenn die komplette
kinetische Energie W k der Fotoelektonen benötigt wird, um
die aufgebaute Potentialdifferenz U G zu überwinden:
W k = e·U G . (2)
(e = Elementarladung = 1,602 10 -19 A·s)
Aus den Gleichungen (1) und (2) erhält man
e·U G = h·f – W a . (3)
Mißt man U G bei wenigstens zwei Wellenlängen, so kann
man die beiden Unbekannten h und W a aus Gleichung (3)
bestimmen. Normalerweise macht man jedoch mehr als
zwei Messungen und trägt U G als Funktion von f auf. Nach
entsprechendem Umformen von (3) in
U
G
h f Wa
=
e e
⋅
−
06778.00
erkennt man, daß sich eine Gerade mit der Steigung h/e ergibt.
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(4)

Abb. 2: Meßanordnung zur Bestimmung von h mit der Fotozelle 06778.00.
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 W a auch aus dem Schnittpunkt der Ausgleichsgeraden
mit der Abszisse, der sogenannten Grenzfrequenz
f min (gebräuchlicher ist die langwellige Grenzwellenlänge
λ max = c/f min ) für die U G = 0 wird, berechnen. Für
diesen Fall ist W a = h·f min .
3. HANDHABUNG
Der Versuchsaufbau erfolgt nach Abb. 2. unter Verwendung
der Geräteliste (siehe Abschnitt 4). Anstelle der abgebildeten
Anordnung kann unter Verwendung des mitgelieferten,
in die Bodenplatte einzuschraubenden Stiels auch ein Aufbau
auf einer optischen Bank erfolgen.
Die an die Drossel angeschlossene Spektrallampe sollte
etwa 15 Minuten vor der ersten Messung eingeschaltet werden.
Sie wird zur Messung dicht an die Lichteintrittsöffnung
der Fotozelle heran geschoben (Abstand ca. 2 mm), auf
deren Rohrstutzen ein Interferenzfilter gesteckt ist. Die
BNC-Buchse ist mit einem abgeschirmten Kabel mit dem
Eingang des Meßverstärkers verbunden. Verwenden Sie
unbedingt diesen Meßverstärker oder einen anderen Verstärker
mit einem Eingangswiderstand R i ≥ 10 13 Ω, da andernfalls
Meßfehler auftreten. Geeignet ist auch das in vielen
Lehrmittelsammlungen vorhandene Vorgängermodell
des Meßverstärkers mit der Bestell-Nr. 11761.93. Am
Meßverstärker ist die Betriebsart „Elektrometer“ und der
Verstärkungsfaktor 1 zu wählen. An den Ausgang des
Meßverstärkers kann praktisch jedes vorhanden analoge
oder digitale Multimeter angeschlossen werden.
2
Durchführung einer Messung:
• Bei geschlossenem Lichteintritt an der Fotozelle Eingang
des Verstärkers durch Niederdrücken der Taste
„0“ kurzschließen; während die Taste niedergedrückt
wird mit dem Stellknopf „0“ am Meßverstärker die Anzeige
auf Null stellen
• Schieber Öffnen und die angezeigte Spannung U G protokollieren
• Schieber schließen, Filter wechseln und den Vorgang
solange wiederholen, bis die Messungen mit allen Filtern
durchgeführt sind
Anschließend trägt man die Meßwerte gemäß dem in Abb.
3 dargestellten Beispiel auf und bestimmt aus der Steigung
der Geraden unter Verwendung der Formel (4) die Plancksche
Konstante h.
Für das in Abb. 3 dargestellte Meßbeispiel erhält man
h = 6,05·10 -34 Ws. Vergleicht man diesen Wert mit dem Literaturwert
h = 6,625·10 -34 Ws so ergibt sich ein Fehler
von – 8,7 %.
Aus dem Schnittpunkt der Geraden mit der x-Achse bei f min
= 3,3·10 14 Hz ergibt sich für das verwendete Exemplar eine
Grenzwellenlänge λ max = 908 nm.
3.1 Hinweise zur Meßgenauigkeit
Die Genauigkeit mit der die Plancksche Konstante aus dem
Fotoeffekt bestimmt werden kann, ist geringer als mit anderen
Verfahren (wie z.B. aus der kurzwelligen Grenze des
Röntgenbremsspektrums). Die Fehler sind teilweise durch
unvermeidbare Fotoemission der Anode sowie auch durch
unbekannte Störeffekte in den Fotozellen bedingt. Die systematischen
Abweichungen für h vom Literaturwert liegen
mit unseren Fotozellen innerhalb ± 15 %. Wiederholte Messungen
mit derselben Zelle streuen dagegen nur geringfügig.
Aus historischen Gründen sollte jedoch gerade diese Methode
zur h-Bestimmung vorrangig im Unterricht eingesetzt
werden.
06778.00 Fotozelle zur h–Bestimmung

Abb. 3
1,5
___ U G
_V
2
1
0,5
0
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
f . 10
-14
Hz
4. GERÄTELISTE (zu Abb. 2)
Fotozelle zur h-Bestimmung 06778.00
Montageplatte, 210 mm x 297 mm 13001.00
Experimentierleuchte 6 11615.05
Spektrallampe Hg100, pico 9 08120.14
Drossel für Spektrallampen 13662.93
Meßverstärker, universal 13626.93
Voltmeter 0,3...300 V –, 10...300 V ~ 07035.00
Interferenzfilter, Satz von 3 Stück 08461.00
Interferenzfilter, Satz von 2 Stück 08463.00
Abgeschirmtes Kabel BNC, l = 750 mm 07542.11
Verbindungsleitung 25 cm, rot 07360.01
Verbindungsleitung 25 cm, blau 07360.04
5. GARANTIEHINWEIS
Für das von uns gelieferte Gerät übernehmen wir eine Garantie
von 6 Monaten; sie umfaßt nicht den natürlichen Verschleiß
sowie Mängel, die durch unsachgemäße Behandlung
entstehen.
Der Hersteller kann nur dann als verantwortlich für Funktion
und sicherheitstechnische Eigenschaften des Gerätes betrachtet
werden, wenn Instandhaltung, Instandsetzung und
Änderungen daran von ihm selbst oder durch von ihm ausdrücklich
ermächtigte Stellen ausgeführt werden.
3 06778.00 Fotozelle zur h–Bestimmung