Betreff:

Zentrale Experimente Physik GOSt

StartseitePhotoeffekt → Aufbau einer Messapparatur zum Photoeffekt

 

Licht kann, wenn es auf das Oberflächenmaterial eines Gegenstands auftrifft, aus diesem Elektronen herauslösen. Damit dieser sog. Photoeffekt, oder auch lichtelektrischer Effekt genannt, eintritt, muss das Licht in Abhängigkeit vom Oberflächenmaterial bestimmte Bedingungen erfüllen.
Zur genaueren Untersuchung des Photoeffekts werden an dieser Stelle Vakuum-Photozellen verwendet, bei denen die Elektronen nach dem Herauslösen aus dem Kathodenmaterial auf eine gegenüberliegende Elektrode gelangen und anschließend einen angeschlossenen Kondensator aufladen, dessen Aufladespannung mittels eines Elektrometer(verstärker)s gemessen werden kann. Der Kondensator ist dann maximal aufgeladen und zeigt somit die größte Spannung an, wenn das im Kondensator aufgebaute elektrische Gegenfeld keine weiteren Elektronen mehr auf die Kondensatorplatten gelangen lässt.
Das folgende Bild zeigt das (etwas vereinfachte) Schaltbild einer solchen Versuchsanordnung:

 

 

 

 

 

 


 

 

Eine dazu gehörige Messapparatur zur genaueren Untersuchung dieses Effekts wird im nachfolgenden IBE auf dieser Seite vorgestellt.
Auf eine andere häufig genutzte Methode zur quantitativen Untersuchung des Photoeffekts, die sog. Gegenfeldmethode, wird an dieser Stelle etwas näher eingegangen.

 

 
 
  • Platzieren Sie durch Anklicken die Kondensorlinse, den Abbildungsspalt und die Sammellinse auf der optischen Bank. Setzen Sie danach den Öffnungsspalt sowie die Photozelle mit ihrem Gehäuse ein. Schalten Sie die Hg-Lampe durch Anklicken ein.
  • Verschieben Sie die Abbildungslinse so, dass man auf dem Schirm ein möglichst scharfes Bild des von der Hg-Lampe hell beleuchteten Spalts erkennen kann. Dazu können Sie sich den weißen Beobachtungsschirm durch Anklicken vergrößert darstellen lassen.
  • Bringen Sie anschließend das (jetzt greifbar gewordene) Geradsichtprisma in den Strahlengang und beobachten Sie die spektrale Aufspaltung des Lichts der Hg-Lampe anhand der nebeneinander liegenden, jetzt farbigen Bilder des Spalts auf dem Schirm.
  • Schwenken Sie nun die Photozelle (durch Anfassen am Fuß) ein wenig nach links bzw. nach rechts, um eine der farbigen Linien des Spaltbilds genau auf die Photozelle abzubilden.
  • Schalten Sie danach das Elektrometer ein und beobachten Sie zunächst rein qualitativ, inwieweit beim Auftreffen des Lichts der ausgewählten Linie die Anzeige auf dem Elektrometer reagiert. Das Elektrometer kann ebenfalls durch Anklicken vergrößert dargestellt werden.
  • Warten Sie den Stillstand des Zeigers ab, die Aufladung des Kondensators benötigt ihre Zeit.
  • Schwenken Sie nun die Photozelle auf die anderen sichtbaren farbigen Linien und beobachten Sie, wie die Anzeige auf dem Elektrometer an diesen Stellen reagiert. Denken Sie zwischendurch daran, das Elektrometer bei Bedarf immer zunächst zu erden, also auf Null zurückzustellen.
    Notieren Sie Ihre Beobachtung.

Aufbau einer Messapparatur zum Photoeffekt

                                                                                                                                                                                      Photozelle

                                                                                                                                  Voltmeter

                                                                                                     Geradsichtprisma            

                        Kondensor                               Abbildungslinse    

      Hg-Lampe      Abbildungsspalt             

Im IBE wird das Licht einer Quecksilberdampflampe (Hg-Lampe) mittels einer Kondensorlinse auf einen Spalt fokussiert, der dann anhand einer auf der optischen Bank verschiebbaren (konvexen) Linse auf einem Schirm abgebildet werden muss. Mit einem zwischen Linse und Schirm platzierbaren Geradsichtprisma wird das Licht spektral aufgespalten, so dass man die nebeneinander liegenden farbigen Bilder des Spalts einzeln auf die im IBE ganz rechts angeordnete Photozelle fallen lassen kann, um die Einflüsse von Lichtfrequenz, Lichtintensität etc. für einzelne Spektralfarben getrennt voneinander untersuchen zu können. Das Farbspektrum kann durch Anklicken vergrößert dargestellt werdem.
Ein Klick auf das Elektrometer zeigt eine Vergrößerung des Bedienpanels. Nach Wahl der Betriebsart, dazu den Drehschalter "METER" in Stellung "+" bringen, wird eine spätere Messung für eine angewählte Spektrallinie durch das Anklicken des Schalters "ZERO CHECK" gestartet. Vor jeder neuen Messung wird das Elektrometer mit "ZERO CHECK" (in Stellung "LOCK") entladen. Elektrometer und Spektrum können später durch Anklicken vergrößert dargestellt werden.

Im IBE oben sieht es so aus, als wäre der Laborraum hell beleuchtet gewesen; das Experiment musste jedoch in einem sehr weit abgedunkelten Raum ausgeführt werden, der helle Hintergrund ist der besseren Erkennbarkeit der Einzelteile wegen nachträglich hinzugefügt worden.
Begründen Sie anhand Ihrer Beobachtungen, warum das Originalexperiment zur Erstellung des IBE in einem abgedunkelten Raum durchgeführt werden musste.
 

Schwenken Sie nun die Photozelle hinreichend langsam(!) nach links und rechts soweit es möglich ist über die sichtbaren Linien hinaus in die beiden dunklen Bereiche und beobachten Sie, ob die Anzeige auf dem Elektrometer reagiert und, wenn ja, wo dies geschieht.
Notieren Sie Ihre Beobachtung.
 

Schauen Sie sich das Video zum Begriff Fluoreszenz an und erklären Sie dieses Phänomen kurz.

Prüfen Sie nach, dass an allen anderen Positionen außerhalb des sichtbaren Spektrums keine Reaktion des Elektrometers erfolgt. Nehmen Sie Stellung zu der Aussage, dass aber aus dem Ausbleiben an allen anderen verfügbaren Positionen außerhalb des sichtbaren Spektrums nicht unbedingt gefolgert werden darf, dass dort kein Licht der Hg-Lampe vorhanden sei.

Sie können nun durch das Anklicken des (im IBE jetzt am unteren Rand neu aufgetauchten) UV-Schirms den bisherigen Schirm im Experiment durch einen UV-sensiblen Schirm austauschen, sodass das auf ihn fallende UV-Licht Fluoreszenz hervorruft, was durch das Erscheinen von bläulichem Licht jenseits des blauen Endes des sichtbaren Spektrums erkennbar wird. Überzeugen Sie sich, dass Sie jetzt die Position der UV-Linie wahrnehmen können.

Dem Schaltbild oben auf dieser Seite kann man entnehmen, dass die Spannung am Kondensator mittels eines Elektrometer(verstärker)s gemessen und angezeigt wird. Begründen Sie, warum man nicht ein "einfaches" im einstelligen Voltbereich messendes Spannungsmessgerät an den Kondensator zur Messung seiner Aufladespannung anschließt.
 

Sie werden festgestellt haben, dass nach dem deutlichen Überschreiten der sichtbaren violetten Linie nach links plötzlich das Elektrometer sehr heftig reagierte. Dort gelangt also offensichtlich Strahlung auf die Photozelle, die man jedoch nicht sehen kann. Da diese jenseits des blauen Endes des sichtbaren Lichts zu finden ist, nennt man sie ultraviolettes Licht (UV).
Die Anwesenheit dieses UV-Lichts kann man u. a. nachweisen, indem man das Phänomen der Fluoreszenz nutzt.

Fluoreszenz
Quecksilberdampflampe

Kondensorlinse        Sammellinse                Öffnungsspalt   Photozelle 
                    Abbildungsspalt    Geradsicht-                           mit Gehäuse
                                                        prisma

                                                                                                                                                                                           Elektrometer(verstärker)
 

Quecksilberdampf-
        lampe 





S
57/211