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Zum Nachweis der Planck'schen Konstanten h mittels des Photoeffekts über Messreihen, die die Geschwindigkeit der aus dem Photozellenmaterial herausgelösten Elektronen verwenden, werden im Schulbereich im Wesentlichen zwei Methoden benutzt:
Die erste Methode verwendet die aufgebaute Spannung an einem Kondensator, die von den aus dem Photozellenmaterial herausgelösten Elektronen resultiert. Diese Methode wurde in den voranstehenden Seiten verwendet.
Bei der zweiten Methode bremst ein regelbares elektrisches Gegenfeld die aus dem Kathodenmaterial ausgelösten Elektronen so weit ab, dass selbst die schnellsten Elektronen eine Auffangelektrode gerade nicht mehr erreichen, was über das Verschwinden des Anodenstroms registriert wird und dazu führt, dass man über die Höhe der Gegenspannung die maximale ursprüngliche kinetische Energie der herausgelösten Elektronen ermitteln kann.
Zur dieser sog. Gegenfeldmethode sei an dieser Stelle auf eines der vielen im Internet verfügbaren Applets verwiesen, z. B. auf ein solches der University of Colorado, Boulder, auf das sich die folgenden Aufgaben beziehen:
- Stellen Sie zunächst eine von Null verschiedene Intensität des Lichts ein und beobachten Sie, ob dann bereits Elektronen aus der linken Elektrode herausgelöst werden.
- Variieren Sie anschließend die Farbe des Lichts und beobachten Sie, ab welcher Lichtfarbe Elektronen aus der linken Elektrode erstmals austreten.
- Stellen Sie nun eine Gegenspannung so groß ein, dass auch die schnellsten austretenden Elektronen die rechte Elektrode gerade nicht mehr erreichen, was auch an einem dann verschwindenden elektrischen Strom erkannt werden kann.
- Variieren Sie das Material der (linken) Elektrode und wiederholen Sie die vorangegangene Messung.
- Lassen Sie sich auch die optionalen Diagramme zeigen.
- Führen Sie Messreihen durch zur Bestimmung der Planck'schen Konstante h.
Vergleich Kondensatormethode vs. Gegenfeldmethode
Im o. g. Applet ist als Kathodenmaterial Natrium (Auslöseenergie 2,3 eV) voreingestellt. Das nebenstehende Bild zeigt den Kurvenverlauf "Stromstärke gegen Batteriespannung" für eine bestimmte Einstellung der zur Verfügung stehenden anderen Parameter.
Geben Sie begründet an, welches Licht (ungefähre Wellenlänge) in diesem Fall verwendet wurde.
Beschreiben Sie anhand der Position des roten Punktes in der Grafik, was in der Animation im Hauptfenster des Applets zu sehen ist, und begründen Sie Ihre Aussagen. Dabei sollten Sie Angaben machen zur augenblicklichen Gegenspannung und zu "zurückkehrenden" Elektronen.
Stellen Sie unter "Optionen" im Applet-Menü die Anzeige von Photonen ein und reduzieren Sie die Intensität auf so niedrige Prozentzahlen, dass Sie die Wirkung der einzelnen Photonen beim Auftreffen auf die Kathode gut verfolgen können.
Beschreiben Sie Ihre Beobachtung hinsichtlich der Anzahl der Photonen und der von ihnen ausgelösten Elektronen.
Im o. g. Applet wurde als Kathodenmaterial Natrium eingestellt. Das einfallende blau-violette Licht ist mit der Wellenlänge 440 nm angegeben. Die Simulation zeigt, dass keine ausgelösten Elektronen über die Hälfte der Strecke zwischen Kathode und Anode gelangen, wenn als Batteriespannung eine Gegenspannung von 1,0 V eingestellt ist.
Bestätigen Sie anhand dieser Angaben die o. g. Auslöseenergie für Natrium von 2,3 eV.
