Fotoeffekt

Physik Profilkus ÜA 09 Fotoeffekt Ks. 2012
Aufgaben zum Fotoeffekt:
Afg. 1:
An einem klaren Tag nimmt ein Quadratmeter eines Sonnenkollektors bei senkrechtem Einfall eine
Strahlungsleistung von ca. 1,0 kW auf. Schätze ab, wie viele Photonen also pro Sekunde auftreffen.
Afg. 2:
Für Natrium beträgt die Austrittsarbeit E A = 2,3 eV.
a) Berechne die Grenzfrequenz, ab der keine Elektronen mehr ausgelöst werden.
b) Licht mit λ = 440 nm trifft auf die Natriumkathode. Wie schnell sind die schnellsten
Photoelektronen und gegen welche Spannung können sie gerade noch anlaufen
Afg. 3:
Die beiden Abbildungen zeigen zwei verschiedene
Schaltungen einer Vakuum-Fotozelle. Erläutere, welche
Informationen über das einfallende Licht kann man mit Hilfe
der Schaltung (A), welche mit Hilfe der Schaltung (B)
gewinnen kann
(A)
U
(B)
I
Afg. 4: Löse im Duden die Aufgabe 260.19
Afg.5:
a) Berechnen Sie die Masse eines Lichtquants (λ = 633 nm)
b) Welche Frequenz müsste ein Lichtquant besitzen, das die gleiche Masse wie ein ruhendes
Elektron hätte
Aufgaben zum Fotoeffekt:
Afg. 1:
An einem klaren Tag nimmt ein Quadratmeter eines Sonnenkollektors bei senkrechtem Einfall eine
Strahlungsleistung von ca. 1,0 kW auf. Schätze ab, wie viele Photonen also pro Sekunde auftreffen.
Afg. 2:
Für Natrium beträgt die Austrittsarbeit E A = 2,3 eV.
a) Berechne die Grenzfrequenz, ab der keine Elektronen mehr ausgelöst werden.
b) Licht mit λ = 440 nm trifft auf die Natriumkathode. Wie schnell sind die schnellsten
Photoelektronen und gegen welche Spannung können sie gerade noch anlaufen
Afg. 3:
Die beiden Abbildungen zeigen zwei verschiedene
Schaltungen einer Vakuum-Fotozelle. Erläutere, welche
Informationen über das einfallende Licht kann man mit Hilfe
der Schaltung (A), welche mit Hilfe der Schaltung (B)
gewinnen kann
(A)
U
(B)
I
Afg. 4: Löse im Duden die Aufgabe 260.19
Afg.5:
a) Berechnen Sie die Masse eines Lichtquants (λ = 633 nm)
b) Welche Frequenz müsste ein Lichtquant besitzen, das die gleiche Masse wie ein ruhendes
Elektron hätte

Physik Profilkus ÜA 09 Fotoeffekt Ks. 2012
Aufgaben zum Fotoeffekt:
Afg. 1:
An einem klaren Tag nimmt ein Quadratmeter eines Sonnenkollektors bei senkrechtem Einfall eine
Strahlungsleistung von ca. 1,0 kW auf. Schätze ab, wie viele Photonen also pro Sekunde auftreffen.
Geg.:
Ges.:
Lsg.:
P = 1 kW, A = 1 m 2 , Annahme für mittl. Wellenlänge: λ = 600 nm
N = Zahl der Photonen
Eingestrahlte Leistung = eingestrahlte Energie pro Zeit
P = E / t
P = N ∙ E Qu / t
mit E = N ∙ E Qu
wobei E Qu = h ∙ f
P = N ∙ h ∙ f / t c = λ ∙f => f = c / λ
P = N ∙ h ∙ c / ( t ∙ λ )
=> N = P ∙ t ∙ λ / ( h ∙ c )
N = 1000 W ∙ 1 s ∙ 600∙10 -9 m / ( 6,626∙10 -34 Js ∙ 3∙10 8 m/s )
N = 3,018..∙ 10 21
Pro Sekunde treffen ca. 3∙10 21 Photonen auf.

Physik Profilkus ÜA 09 Fotoeffekt Ks. 2012
Afg. 2:
Für Natrium beträgt die Austrittsarbeit E A = 2,3 eV.
a) Berechne die Grenzfrequenz, ab der keine Elektronen mehr ausgelöst werden.
Geg.:
Ges.:
Lsg.:
E A = 2,3 eV
Grenzfrequenz f Gr
Bei der Grenzfrequenz ist die Quantenenergie gerade so groß wie die
Ablöseenergie:
E Qu
= E Ab
h ∙ f Gr = E Ab
f Gr
f Gr
f Gr
f Gr
= E Ab / h
= 2,3 ∙ 1,602∙10 -19 C ∙ V / 6,626∙10 -34 Js
= 5,56 . . ∙ 10 14 Hz
= 5,6 ∙ 10 14 Hz
b) Licht mit λ = 440 nm trifft auf die Natriumkathode. Wie schnell sind die schnellsten
Photoelektronen und gegen welche Spannung können sie gerade noch anlaufen
Geg.:
Ges.:
Lsg.:
E A = 2,3 eV, λ = 440 nm
v, U
EES: Die Energie des Quants wird zum Teil für die Ablösung aus der
Natriumoberfläche benutzt, der Rest ist Bewegungsenergie.
Berechnung der Geschwindigkeit:
E Qu = E Ab + ½ ∙ m ∙ v 2
½ ∙ m ∙ v 2 = E Qu - E Ab
v 2
v 2
= 2 ∙ (E Qu - E Ab ) / m
= 2 ∙ (h ∙ c/λ - E Ab ) / m
v = 0,43 ∙ 10 6 m/s
Berechnung der Gegenspannung:
E Qu
U
U
U
= E Ab + e ∙ U
= (E Qu - E Ab ) / e
= (h ∙ c/λ - E Ab ) / e
= 0,52 V

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Afg. 3:
Die beiden Abbildungen zeigen zwei verschiedene
Schaltungen einer Vakuum-Fotozelle.
Erläutere, welche Informationen über das einfallende Licht
man mit Hilfe der Schaltung (A), welche mit Hilfe der
Schaltung (B) gewinnen kann
(A)
U
(B)
I
(A) Mit dieser Schaltung kann man messen, welche Spannung sich beim Belichten
zwischen Fotokathode und Ringanode aufbaut.
Mit Hilfe der Einsteinschen Lichtquantenhypothese und des
Energieerhaltungssatzes E Qu = E Ab + E Kin
Und der Formel E Kin = e ∙ U kann man daraus Informationen über die Energie
bzw. die Wellenlänge oder Frequenz des einfallenden Lichtes gewinnen.
(B) Da die Ringanode hier mit dem Pluspol einer Batterie verbunden ist, werden alle
abgetrennten Elektronen abgesaugt. Die Stromstärke ist daher ein Maß für die
Anzahl der pro Sekunden auftreffenden Photonen, falls deren Energie größer ist als
E Ab .

Physik Profilkus ÜA 09 Fotoeffekt Ks. 2012
Afg. 4: Löse im Duden die Aufgabe S 260,19
Duden 260,19 Vakuumfotokathode
Bestrahlt man die Fotokathode einer Vakuum-Fotozelle mit Licht verschiedener
Wellenlängen, so werden die in der Tabelle angegebenen Gegenspannungen gemessen,
bei denen jeweils gerade kein Fotostrom mehr fließt.
λ in nm 400 450 500 550 600
U G in V 1,25 0,90 0,62 0,40 0,17
a) Stellen Sie die Messwerte graphisch dar, interpretieren Sie das Diagramm.
Musterlösung aus Duden-Lerncode:
Achtung, hier steckt ein kleiner Fehler:
E kin nimmt nicht proportional mit f zu, sondern nur linear!

Physik Profilkus ÜA 09 Fotoeffekt Ks. 2012
b) Ermitteln Sie das plancksche Wirkungsquantum, die Grenzfrequenz und die für das
Kathodenmaterial charakteristische Austrittsarbeit.
Berechnen Sie die Geschwindigkeit der Fotoelektronen.
Duden-Lerncode:

Physik Profilkus ÜA 09 Fotoeffekt Ks. 2012
c) Berechnen Sie die Geschwindigkeiten der Fotoelektronen
Duden-Lerncode: