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3. Beschreibung
Der Planck'sche-Konstante-Apparat dient zur Be-
stimmung der Planck'schen Konstanten und der
Austrittsarbeit der Elektronen aus der Caesiumka-
thode der Photozelle nach der Gegenspannungsme-
thode.
Er enthält eine Vakuumphotozelle, ein Voltmeter zur
Messung der Gegenspannung, ein Nanoamperemeter
zur Messung des Photostroms und eine Spannungs-
quelle für LED. Als Lichtquellen unterschiedlicher
Frequenz stehen fünf Licht emittierende Dioden
(LED) bekannter mittlerer Wellenlänge zur Verfü-
gung. Die Intensität des emittierten Lichts kann
jeweils zwischen 0 und 100% variiert werden. Die
Photozelle besteht aus einer mit Caesium bedampf-
ten Kathode und einer ringförmigen Anode. Bei
eingeschaltetem Apparat liegt zwischen diesen Elekt-
roden eine Spannung, die mit zwei Stellern grob und
fein variiert wird.
Die Spannungsversorgung des Apparats erfolgt aus
einem mitgelieferten Steckernetzgerät. Der Planck'-
sche-Konstante-Apparat mit der Artikelnummer
U10700-115 ist für eine Netzspannung von 115 V
(±10 %) ausgelegt, das Gerät mit der Nummer
U10700-230 für 230 V (±10 %).
4. Technische Daten
Photozelle:
Voltmeter:
Genauigkeit:
Nanoamperemeter:
Genauigkeit:
Leuchtdioden:
Abmessungen:
Masse:
5. Theoretische Grundlagen
Das Licht der angeschlossenen Leuchtdiode trifft
durch die ringförmige Anode auf die Kathode und
löst dort Elektronen mit der kinetischen Energie
= ⋅ −
E
h f W
kin
= ⋅
aus. Dabei ist E
h f
nach Albert Einsteins Theorie
des Photoeffekts die Energie der Photonen des ver-
wendeten Lichts.
W ist die Austrittsarbeit der Elektronen aus der Ka-
thode, also die Energie, die mindestens benötigt
wird, um Elektronen aus der Metalloberfläche he-
rauszuschlagen. Sie ist eine materialabhängige und
zudem temperaturabhängige Größe und beträgt für
Caesium 2,14 eV bei 0 K und ca. 2 eV bei Raumtem-
peratur.
Je nach angelegter Gegenspannung zwischen Katho-
de und Anode fließt ein Elektronenstrom von der
Kathode zur Anode, der mit dem Nanoamperemeter
Typ 1P39, Caesium (Cs)
3½ Digit, LCD
0,5 % (typisch)
3½ Digit, LCD
1 % (typisch)
472 nm, 505 nm, 525 nm,
588 nm, 611 nm
280x150x130 mm³
ca. 1,3 kg
gemessen wird. Entspricht die Gegenspannung der
Grenzspannung U
mit
0
⋅
=
= ⋅ −
e U
E
h f W
0
kin
so erreicht dieser Strom den Wert 0 nA.
e U ⋅ - f - Diagramm liegen die für ver-
In einem
0
schiedene Frequenzen f gemessenen Grenzspannun-
gen U
auf einer Geraden mit der Steigung h und
0
dem y-Achsenabschnitt –W.
6. Bedienung
6.1 Messung der Grenzspannungen bei 75% Licht-
intensität.
•
Zur Spannungsversorgung Steckernetzgerät an-
schließen.
•
Intensität der Lichtquelle auf 75% einstellen.
•
Stecker der ersten Lichtquelle in die Anschluss-
buchse für LED stecken.
•
Klemmstifte des Leergehäuses am Aufnahme-
rohr der Photozelle zusammendrücken und
Leergehäuse herunterziehen.
•
LED-Gehäuse vollständig auf das Aufnahmerohr
der Photozelle schieben bis die Klemmstifte ein-
rasten.
•
Feinstellknopf für Gegenspannung in Mittelstel-
lung bringen.
•
Ein paar Minuten warten und Photostrom mit
Grobstellknopf auf ungefähr Null kompensieren.
•
Nullkompensation mit Feinstellknopf optimie-
ren.
•
Auf diese Weise eingestellte Gegenspannung als
Grenzspannung U
•
Messung mit den übrigen vier LED wiederholen.
6.2 Bestimmung der Planck'schen Konstante h.
Aus den aufgedruckten Wellenlängen λ die Fre-
•
c
f =
quenzen
λ
rechnen.
•
Aus den Grenzspannungen U
e U ⋅ mit
=
e
1,602 10 C
0
•
Ermittelte Werte in ein Energie-Frequenz-Dia-
gramm eintragen.
•
Gerade an die Werte anpassen und Planck'sche
Konstante h aus der Steigung und Austrittsarbeit
W aus dem Y-Achsenabschnitt bestimmen.
6.3 Nachweis der Unabhängigkeit der Grenzspan-
nung von der Intensität des Lichts.
•
Eine LED auswählen.
•
Maximale Intensität einstellen und Grenzspan-
nung U
ermitteln.
0
•
Intensität schrittweise auf Null reduzieren und
jeweils Grenzspannung U
2
−
=
⋅
19
und
e
1,6021 10 C
notieren.
0
m
c = ⋅
8
mit
3 10
des Lichts be-
s
die Energien
0
⋅
−
19
berechnen.
ermitteln.
0
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