Linienspektrum von Cadmium

Betreff:

Zentrale Experimente Physik GOSt

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Es hat sich gezeigt, dass (abhängig vom Material der Photozelle) nicht jedes Licht geeignet ist, Elekronen aus dem Material der Photozelle herauszulösen. Mit dem folgenden IBE wird nämlich nachweisbar, dass es (auch) im sichtbaren Spektrum eine "Grenzfarbe" (in der Richtung von rot zu blau hin gesehen) gibt, bis zu der dieser Effekt nicht beobachtbar ist, während ab dieser "Grenzfarbe" der Effekt nachweisbar wird. Offensichtlich hat Licht unterschiedlicher Farbe unterschiedlich viel Energie, sodass nicht immer die Mindestenergie zum Herauslösen von Elektronen bereit gestellt werden kann. Hat das Licht hingegen eine noch größere als diese Schwellenwertenergie, wird diesen herausgelösten Elektronen noch eine entsprechend große Geschwindigkeit vermittelt. Bei Licht höherer Energie wird daher ein an die Photozelle angeschlossener Kondensator eine größere Spannung aufweisen als bei weniger energiereichem Licht, da dann die schnelleren Elektronen noch auf den Kondensator gelangen können, während die langsameren schon abgeblockt werden.

Notieren Sie in der unten stehenden Tabelle die Farben und Wellenlängen der einzelnen Linien sowie die sich ggf. am Kondensator ergebende Maximalspannung.
Hinweis: zum Ablesen der Wellenlängen können Sie die rote Schiebelinie verwenden.

Prüfen Sie, inwieweit das Licht der vier einzelnen Spektralfarben der Cd-Lampe in der Lage ist, aus der K-Kathode Elektronen herauszulösen, die dann zu einer nachweisbaren Kondensatorspannung führen, und erläutern Sie, inwieweit dieses Experiment bestätigt, dass u. U. nicht Licht aller Lichtfarben geeignet ist, Elektronen aus dem Kathodenmaterial herauszulösen.

Einfluss der Wellenlänge bzw. der Frequenz des eingestrahlten Lichts

Im folgenden IBE wird das Licht einer Cadmium-Spektrallampe (Cd-Lampe) mittels des Geradsichtprismas spektral aufgespalten und die einzelnen Linien auf eine Photozelle mit dem Kathodenmaterial Kalium (K) gelenkt.

Hinweis: Die vollständige Aufladung des Kondensators kann u. U. recht lange (mehrere Minuten) dauern, da die sichtbaren Cd-Linien recht intensitätsschwach sind - also nicht ungeduldig werden oder aber mit "Warp 5x" eine Zeitrafferaufnahme ablaufen lassen.

Es sei jetzt noch einmal das IBE "Aufbau einer Messapparatur zum Photoeffekt" genutzt, um die mit dem Elektrometerverstärker messbaren Endspannungen für die Spektrallinien der Hg-Lampe am Kondensator zu bestimmen.

Zur Information: Auch die gelbe Spektrallinie ist, wie man im Intensitätsdiagramm erkennen kann, eine Doppellinie, die allerdings von der hier verwendeten Optik nicht mehr in ihre beiden Bestandteile aufgelöst werden kann. Die Wellenlängen der beiden gelben Linien betragen 577 nm und 579 nm.

rot
blau
grün
hellblau

Die Spektrallinien der Hg- Lampe sind im folgenden Intensitätsdiagramm dargestellt.
Lesen Sie mittels Verschiebens der roten Markierungslinie die zugehörigen Wellenlängen ab und berechnen Sie die dazugehörigen Frequenzen. Tragen Sie Wellenlängen und Frequenzen in die Spalten 2 und 3 der weiter unten stehende Tabelle ein.

Messen Sie nun im IBE für alle sechs Wellenlängen die sich einstellende Endspannung Umax am Kondensator und ergänzen Sie damit die Spalte 4 der vorstehenden Tabelle.
Hinweis: Verwenden Sie einen Punkt "." als Dezimaltrennzeichen, kein Komma ",".

Formulieren Sie in einer "Je...desto..."-Aussage den Zusammenhang zwischen der Frequenz f und der maximalen Kondensatorspannung Umax.
 

Beim genaueren Hinsehen erkennt man, dass die "eine" violette Spektrallinie eigentlich aus zwei sehr eng benachbarten Linien ("Doppellinie") besteht, wie auch der Blick auf das Intensitätsdiagramm sofort bestätigt. Allerdings bedecken im IBE beide eng benachbarte Linien die Öffnung vor der Photozelle gleichzeitig, sodass keine für beide Linien getrennte Messung möglich ist.
Begründen Sie für welche der beiden eng benachbarten Linien der hier messbare maximale Spannungswert gültig ist.
 

"Doppellinie"
blau
violett
UV
grün
gelb
grünblau
S
S

Hinweis zur Bedienung

Ein Klick auf das Elektrometer zeigt eine Vergrößerung des Bedienpanels. Anschließend sollte der Drehschalter "METER" in Stellung "+" gebracht werden. Durch das Anklicken des Schalters "ZERO CHECK" kann eine Messung gestartet werden. Vor jeder neuen Messung ist das Elektrometer mit "ZERO CHECK" (in Stellung "LOCK") zu entladen.
Ein Klick auf das Elektrometer zeigt eine Vergrößerung des Bedienpanels. Anschließend sollte der Drehschalter "METER" in Stellung "+" gebracht werden. Durch das Anklicken des Schalters "ZERO CHECK" kann eine Messung gestartet werden. Vor jeder neuen Messung ist das Elektrometer mit "ZERO CHECK" (in Stellung "LOCK") zu entladen.

Hinweis zur Bedienung

Layer 1
Anzeige des Elektrometers durch Anklicken vergrößern, dann gemäß Anleitung (siehe "Hinweis zur Bedienung") bedienen.
Photozelle, schwenkbar

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