Versuch 21

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Lichtabsorption
1. Vorbereitung :
Extinktions- und Absorptionskonstante, mittlere Reichweite, Unterscheidung zwischen
stark und schwach absorbierenden Stoffen, Lambert-Beersches Gesetz, Erklärung
von Absorption und Emission im Atommodell, Lichtmessung (Vakuumund
Halbleiter-Photozelle), Austrittsarbeit, Plancksches Wirkungsquantum.
2. Versuch :
Die Lichtschwächung (Extinktion) läßt sich außer durch Schichtdickenänderung
auch durch die wirksame Stoffmenge variieren, z.B. bei Messungen durch Konzentrationsänderung.
Unter der Voraussetzung, daß die Extinktion durch nicht miteinander wechselwirkende
Moleküle erfolgt, ist sie proportional der Konzentration des gelösten Stoffes.
Man erhält das Lambert-Beersche Gesetz :
oder
wobei
K=f⋅c
I=I 0
⋅e −f⋅c⋅d
f = K/c = molare Extinktionskonstante
d = Dicke der Schicht
c = Konzentration
Dieses Lambert-Beersche Gesetz ist streng nur bei sehr großer Verdünnung gültig.
Aus Abweichungen dieses Gesetzes kann man auf die Wechselwirkung zwischen
den einzelnen Molekülen schließen. Außerdem hat das Lambert-Beersche Gesetz
einen weiten Anwendungsbereich in der Photometrie der quantitativen Analyse.
Man ist mit ihm in der Lage, auch sehr geringe Konzentrationen schnell und relativ
einfach zu bestimmen.
Es soll untersucht werden, inwieweit das Lambert-Beersche Gesetz für Tuschelösung
gilt. Als Lichtquelle wird eine Halogenlampe verwendet. Sie besitzt hinreichend
konstante Intensität. Diese wird mit einer Kalium-Photozelle gemessen. In
einem hochevakuierten Glasgefäß ist eine Kaliumschicht aufgetragen (Kathode),
von der bei Lichteinfall aufgrund des äußeren lichtelektrischen Effektes Elektronen
emittiert werden, falls die Energie der Lichtquanten größer ist als die für das
Austreten der Elektronen benötigte Energie (Austrittsarbeit). Die kinetische Energie
der Photoelektronen ist um so höher, je größer die Energie der Lichtquanten
ist, während ihre Zahl der Zahl der auftreffenden Lichtquanten (Intensität) proportional
ist. Die kinetische Energie W k eines den Kaliumverband verlassenden Elektrons
ergibt sich aus der Differenz der Energie hν des von ihm absorbierten Lichtquants
und der Austrittsarbeit W a :
W k
=h⋅ν−W a

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Die aus der Kathode emittierten Elektronen gelangen an die Anode und laden diese
negativ auf, d.h. zwischen Anode und Kathode baut sich eine Potentialdifferenz
U G auf. Diese Potentialdifferenz erreicht schließlich einen Endwert, der ein Maß
für die Energie der absorbierten Lichtquanten ist. Dieser Endwert ist dann erreicht,
wenn die kinetische Energie W k der austretenden Elektronen nicht mehr ausreicht,
die aufgebaute Potentialdifferenz U G zu überwinden. Dieser Fall tritt ein, wenn :
Aus Gleichung (1) wird dann :
W k
=e⋅U G
e⋅U G
=h⋅ν−W a
Ist die Wellenlänge λ = c/ν des verwendeten Lichts bekannt, kann mit U G das
Plancksche Wirkungsquantum bestimmt werden.
3. Aufgaben :
3.1 Proportionalität zwischen Photostrom und Lichtintensität
Man weise die Proportionalität zwischen Photostrom und Lichtintensität nach. Mit
Hilfe der Lochblende werden verschiedene Bruchteile aus dem Lichtbündel ausgeblendet.
Graphische Darstellung !
3.2 Bestimmung des Planckschen Wirkungsquantums
Man messe die zwischen Anode und Kathode herrschende Potentialdifferenz U G
mittels Meßverstärker und Voltmeter für 5 verschiedene Interferenzfilter. Aus den
über den Lichtfrequenzen ν = c/λ aufgetragenen Meßwerten läßt sich das Plancksche
Wirkungsquantum bestimmen. Zwischen den Messungen ist die Anode auszuheizen
(Warum ?).
3.3 Absorption einer Tuschelösung (Abhängigkeit von der Schichtdicke)
Man messe die Absorption einer Tuschelösung (≈ ein Tropfen Tusche auf einen
Liter Wasser) in Abhängigkeit von der Schichtdicke. Stellen Sie ln(I 0 /I) = f(d) graphisch
dar und diskutieren Sie das Ergebnis.
Die Schichtdicke wird mittels verschiedener Küvetten im parallelen Strahlengang
variiert. Da ein Teil der einfallenden Intensität an den Grenzflächen Luft/Glas
bzw. Glas/Wasser reflektiert wird und sich außerdem die durchstrahlte Glasdicke
beim Hintereinanderstellen mehrerer Küvetten ändert, sind zunächst alle Küvetten
in den Strahlengang zu bringen und mit Wasser zu füllen. Die Irisblende ist nun so
einzustellen, daß das µA-Meter Vollausschlag zeigt. Anschließend können die
Küvetten mit der Tuschelösung gefüllt werden.

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3.4 Absorption einer Tuschelösung (Abhängigkeit von der Konzentration)
Man messe ln(I 0 /I) = f(c), wobei die Schichtdicke konstant bleibt (man verwende
die 1cm-Küvette). Die Anfangskonzentration (100 %) ist so einzustellen, daß man
einen gerade noch meßbaren Photostrom erhält.
Messen Sie bei folgenden Verdünnungen (Konzentration jeweils um den Faktor ½
bezüglich der vorherigen Konzentration erniedrigt) :
50 %, 25 %, 12.5 %, 6.25 %, 3.125 %
und stellen Sie die Ergebnisse graphisch dar !
3.5 Ablösearbeit für Kalium
Die vorhandenen Farbfilter sind nur für einen bestimmten Wellenlängenbereich
des Lichts durchlässig. Als Beispiel der Filter RG 5 :
Abb. 1 : Durchlässigkeitsspektrum für RG 5
Halten Sie verschiedene Filter vor die Photozelle und messen Sie den Photostrom
I F als Funktion von λ min . Dazu wähle man aus den aufliegenden Durchlässigkeitskurven
geeignete Filter aus. Aus der graphischen Darstellung I F = f(λ min ) schätze
man die Ablösearbeit in eV für Kalium ab.
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