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3. Beschreibung
Der Planck'sche-Konstante-Apparat dient zur Be-
stimmung der Planck'schen Konstanten h und der
Austrittsarbeit W 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
1000536 / U10700-115 ist für eine Netzspannung von
115 V (±10 %) ausgelegt, das Gerät mit der Nummer
1000537 / U10700-230 für 230 V (±10 %).
4. Technische Daten
Photozelle:
Voltmeter:
Genauigkeit:
Nanoamperemeter:
Genauigkeit:
Leuchtdioden:
Abmessungen:
Masse:
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 Phänomens konnte mit der
klassischen Theorie nicht gelingen. 1905 gelang
Einstein die genial einfache, theoretische Beschrei-
bung dieses Effekts mit Hilfe der von Max Planck
eingeführten Quantentheorie. Er nahm an, dass Licht
aus Teilchen besteht, den so genannten Photonen.
Die Energie E, dieser Photonen (Lichtquanten) sollte
direkt proportional zu ihrer Frequenz f und der Be-
trag ihres Impulses p indirekt proportional zur Wel-
lenlänge λ sein:
=
⋅
⋅
=
λ
E
h
f
p
h
/
Dabei ist die Proportionalitätskonstante h das
Planck'sche Wirkungsquantum. Das bedeutet, dass
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
Energie in Form von elektromagnetischer Strahlung
nur in kleinen Paketen, Quanten abgegeben werden
kann. Diese Mindestgröße ist von der Frequenz ab-
hängig. Das Planck'sche Wirkungsquantum ist eine
fundamentale Naturkonstante und hat den genauen
Wert h = 6,62606896*10
Im Experiment trifft das Licht der angeschlossenen
Leuchtdiode durch die ringförmige Anode auf die
Kathode. Wird ein Elektron von einem Photon getrof-
fen, gibt das Photon beim Photoeffekt seine gesamte
= ⋅ ) an dieses ab. Ein Teil der Energie
Energie ( E
h f
wird dazu benötigt das Elektron aus der Metallober-
fläche herauszuschlagen (Austrittsarbeit W). Der Rest
der Energie steht dem Elektron als kinetische Energie
zur Verfügung:
= ⋅ −
E
h f W
kin
Die Austrittsarbeit 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
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. Für jedes Kathodenmate-
rial ist der y-Achsenabschnitt der entsprechenden
Gerade anders. Der Anstieg der Gerade ist vom Ka-
thodenmaterial unabhängig.
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.
Hinweis: Es ist empfehlenswert bei der ersten Mes-
sung, ein paar Minuten zu warten, bevor man mit
der Einstellung der Grenzspannung beginnt.
2
-34
Js.
−
=
⋅
19
und
e
1,6021 10 C
