Vermischte Übungsaufgaben zum Photoeffekt

Beim Photoeffekt besteht ein Zusammenhang zwischen der Frequenz des eingestrahlten Lichtes und der maximalen Geschwindigkeit der ausgelösten Elektronen.

Begründen Sie, ob überhaupt und, wenn ja, welches der nebenstehenden Diagramme diesen Zusammenhang wiedergeben kann.

Im Unterricht werden Sie sehr wahrscheinlich als Einstiegsversuch zum Photoeffekt einen Versuch durchgeführt haben, bei dem eine Zink-Platte mit dem Licht der Quecksilberdampflampe beleuchtet wurde (Hallwachsversuch). Bei diesem Experiment entlädt sich ein an die Zinkplatte angeschlossenes und zuvor negativ(!) aufgeladenes Elektroskop, sobald das Licht der Hg-Lampe auftrifft, während das Licht aus der Umgebung keinen Einfluss ausübt.

Prüfen Sie, ob überhaupt eine der auf der Seite IBE zum Photoeffekt weiter unten angegebenen Spektrallinien der Hg-Lampe hierfür verantwortlich sein kann. Zink (Zn) hat eine Auslöseenergie von 4,3eV.

Angenommen, im Eingangsexperiment IBE zum Photoeffekt würde man zwei Spektrallinien (beispielsweise durch Einfügen einer weiteren Sammellinse oder durch geeignete Spiegelung)  gleichzeitig auf die Photozelle abbilden.
Begründen Sie, welche Kondensatorspannung dann zu erwarten wäre.

Das IBE zu den Emissionsspektren verschiedener Haushaltslampen zeigt das Spektrum einer LED-Lampe ("LED2") für den Hausgebrauch. Man erkennt in der Intensitätsverteilung drei (relative) Maxima.

 

Bestimmen Sie die Frequenzen, die zu den drei (relativen) Intensitätsmaxima gehören.

Bestimmen Sie die maximal erlaubte Auslöseenergie (in eV), die die lichtempfindliche Schicht der Photozelle aufweisen darf, wenn die Photozelle mindestens das Licht der drei Intensitätsmaxima registrieren können soll.

Benennen Sie mögliche Materialien.

Beurteilen Sie, inwieweit folgende Aussagen (in Bezug zum Photoeffekt) richtig, teilweise richtig oder gänzlich falsch sind:

„Je kurzwelliger das Licht ist, desto mehr Elektronen werden ausgelöst.“

„Je kurzwelliger das Licht ist, desto größer ist seine Energie.“

„Je kurzwelliger das Licht ist, desto größer ist seine Frequenz.“

„Wird die Lichtintensität erhöht, dann wird die Geschwindigkeit der ausgelösten Elektronen erhöht.“

„Verwendet man Licht größerer Wellenlänge, dann wird die Geschwindigkeit der ausgelösten Elektronen erhöht.“

„Die Grenzfrequenz ist abhängig vom Material, auf das das Licht auftrifft.“

Jemand lässt das Licht einer zunächst nur schwach leuchtenden Glühlampe auf eine Photozelle fallen: Das Elektrometer zeigt eine bestimmte Spannung an. Anschließend steigert er die Lichthelligkeit deutlich und stellt fest, dass dabei auch die vom Elektrometer angezeigte Spannung zunimmt.
Nehmen Sie Stellung zu der Schlussfolgerung, dass damit bewiesen sei, dass die Intensität des einfallenden Lichts einen Einfluss auf die Spannung am Elektrometer hat.

Licht trifft auf ein Goldplättchen. Man stellt fest, dass beim Anlegen einer Gegenspannung von bis zu U = 2,5 V ein Photostrom vorhanden ist. Bestimmen Sie den mindesterforderlichen Wellenlängenbereich der einfallenden Photonen.
Hinweis: Gold hat eine Auslöseenergie von E_A = 4,7 eV.

Erkundigen Sie sich im Internet über das Prinzip der Photovoltaik und inwieweit hierbei der Photoeffekt eine Rolle spielt. Es finden sich viele Informationsstellen und Videos zu diesem Thema, beispielsweise hier.

In einem Experiment stellt man fest, dass sich bei der Bestrahlung einer Wolframelektrode in einer Photozelle eine Kondensatorspannung von U = 2,5 V einstellt. Wolfram hat eine Austrittsarbeit von E_A = 4,6 eV.
Bestimmen Sie die Wellenlänge der auftreffenden Photonen.
Bestimmen Sie die (maximale) Geschwindigkeit der ausgelösten Elektronen.