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3. Beschreibung
Der Planck’sche-Konstante-Apparat dient zur
Bestimmung der Planck’schen Konstanten
h
und
der Austrittsarbeit
W
der Elektronen aus der Cae-
siumkathode der Photozelle nach der Gegen-
spannungsmethode.
Er enthält eine Vakuumphotozelle, ein Voltmeter
zur Messung der Gegenspannung, ein Nanoam-
peremeter zur Messung des Photostroms und
eine Spannungsquelle für LED. Als Lichtquellen
unterschiedlicher Frequenz stehen fünf Licht
emittierende Dioden (LED) bekannter mittlerer
Wellenlänge zur Verfügung. Die Intensität des
emittierten Lichts kann jeweils zwischen 0 und
100% variiert werden. Die Photozelle besteht aus
einer mit Caesium bedampften Kathode und ei-
ner ringförmigen Anode. Bei eingeschaltetem Ap-
parat liegt zwischen diesen Elektroden eine
Spannung, die mit zwei Stellern grob und fein va-
riiert wird.
Die Spannungsversorgung des Apparats erfolgt
aus einem mitgelieferten Steckernetzgerät. Der
Planck’sche-Konstante-Apparat mit der Artikel-
nummer 1000536 / U10700-115 ist für eine Netz-
spannung von 115 V (±10 %) ausgelegt, das Ge-
rät mit der Nummer 1000537 / U10700-230 für
230 V (±10 %).
4. Technische Daten
Photozelle:
Typ 1P39, Caesium (Cs)
Voltmeter:
3½ Digit, LCD
Genauigkeit:
0,5 % (typisch)
Nanoamperemeter: 3½ Digit, LCD
Genauigkeit:
1 % (typisch)
Leuchtdioden:
472 nm, 505 nm, 525 nm,
588 nm, 611 nm
Abmessungen:
280 x 150 x 130 mm³
Masse:
ca. 1,3 kg
5. Theoretische Grundlagen
Der so genannte Photoeffekt stellte Ende des 19.
und Anfang des 20. Jahrhunderts, als man die
Physik für fast abgeschlossen hielt, eines der
letzten Rätsel dar. Die Erklärung dieses Phäno-
mens konnte mit der klassischen Theorie nicht
gelingen. 1905 gelang Einstein die genial einfa-
che, theoretische Beschreibung dieses Effekts
mit Hilfe der von Max Planck eingeführten Quan-
tentheorie. Er nahm an, dass Licht aus Teilchen
besteht, den so genannten Photonen. Die Ener-
gie
E
, dieser Photonen (Lichtquanten) sollte di-
rekt proportional zu ihrer Frequenz
f
und der Be-
trag ihres Impulses
p
indirekt proportional zur
Wellenlänge
sein:
/
E
h f p h
Dabei ist die Proportionalitätskonstante
h
das
Planck’sche Wirkungsquantum. Das bedeutet,
dass Energie in Form von elektromagnetischer
Strahlung nur in kleinen Paketen, Quanten abge-
geben werden kann. Diese Mindestgröße ist von
der Frequenz abhängig. Das Planck’sche Wir-
kungsquantum ist eine fundamentale Naturkon-
stante
und
hat
den
genauen
Wert
h
= 6,62606896*10
-34
Js.
Im Experiment trifft das Licht der angeschlosse-
nen Leuchtdiode durch die ringförmige Anode auf
die Kathode. Wird ein Elektron von einem Photon
getroffen, gibt das Photon beim Photoeffekt seine
gesamte Energie (
E h f
) an dieses ab. Ein Teil
der Energie wird dazu benötigt das Elektron aus
der Metalloberfläche herauszuschlagen (Aus-
trittsarbeit
W
). Der Rest der Energie steht dem
Elektron als kinetische Energie zur Verfügung:
kin
E
h f W
Die Austrittsarbeit ist eine materialabhängige und
zudem temperaturabhängige Größe und beträgt
für Caesium 2,14 eV bei 0 K und ca. 2 eV bei
Raumtemperatur.
Je nach angelegter Gegenspannung zwischen
Kathode und Anode fließt ein Elektronenstrom
von der Kathode zur Anode, der mit dem Nano-
amperemeter gemessen wird. Entspricht die Ge-
genspannung der Grenzspannung
U
0
mit
0
kin
e U
E
h f W
und
19
1,6021 10 C
e
so erreicht dieser Strom den Wert 0 nA.
In einem
0
e U
-
f
- Diagramm liegen die für ver-
schiedene Frequenzen
f
gemessenen Grenz-
spannungen
U
0
auf einer Geraden mit der Stei-
gung
h
und dem y-Achsenabschnitt
W
. Für jedes
Kathodenmaterial ist der y-Achsenabschnitt der
entsprechenden Gerade anders. Der Anstieg der
Gerade ist vom Kathodenmaterial unabhängig.
6. Bedienung
6.1 Messung der Grenzspannungen bei 75%
Lichtintensität.
Zur Spannungsversorgung Steckernetzgerät
anschließen.
Intensität der Lichtquelle auf 75% einstellen.
Stecker der ersten Lichtquelle in die An-
schlussbuchse für LED stecken.
Klemmstifte des Leergehäuses am Aufnah-
merohr der Photozelle zusammendrücken
und Leergehäuse herunterziehen.
