Aufgabe Vorschlag B2 - 1 · Abitur Hessen Physik GK 2021

1.1 Skizzieren Sie einen Versuchsaufbau, mit dem man die maximale kinetische Energie $E_{\text{kin}}$ der Fotoelektronen bestimmen kann; 1.3 Fotozelle aus Material 1; 1.5.2 Diagramm $E_{\text{el}}(f)$

Lösung: 1.1 Skizze Versuchsaufbau: *Eine Skizze zur Gegenfeldmethode ist ebenfalls zu akzeptieren.* 1.3 Fotozelle: Fotozelle 3 (Natrium) 1.5.2 Diagramm mit Ausgleichsgerade:

1.1 Beschreiben Sie mithilfe der Skizze allgemein die Vorgänge beim Fotoeffekt und erläutern Sie, wie die oben beschriebene Größe bestimmt werden kann.

Lösung: Licht fällt im Inneren des evakuierten Glaskolbens auf die Metallschicht einer Fotokathode. Durch das Licht werden Fotoelektronen aus der Metallschicht ausgelöst, wodurch die Fotokathode positiv geladen wird. Ein Teil der Elektronen gelangt auf die Ringanode, sodass sich zwischen Fotokathode und Ringanode eine Spannung aufbaut, durch die die Elektronen abgebremst werden. Die maximale Spannung ist erreicht, wenn keine Elektronen mehr die Ringanode erreichen. Der Betrag dieser Spannung entspricht der maximalen kinetischen Energie der Fotoelektronen in eV. Eine Beschreibung der Gegenfeldmethode ist ebenfalls zu akzeptieren.

1.2 Erläutern Sie die drei in der Formel vorkommenden Größen.

Lösung: $E_{\text{kin}}$: Die kinetische Energie, die die Elektronen besitzen, nachdem sie aus der Kathode herausgeschlagen wurden. $E_{\text{ph}}$: Die Energie der Photonen. $E_{\text{A}}$: Die Austritts- oder Ablösearbeit ist die Energie, die benötigt wird, um die Elektronen aus dem Kathodenmaterial herauszuschlagen.

1.3 Berechnen Sie die Austrittsarbeit der Fotozelle.

Lösung: $2{,}28$ eV / $3{,}66\cdot 10^{-19}$ J

1.4 Begründen Sie, dass unterhalb einer Grenzfrequenz selbst bei Erhöhung der Lichtintensität der Fotoeffekt nicht auftritt.

Lösung: Es kann immer nur ein Photon genau ein Elektron auslösen. Unterhalb der Grenzfrequenz besitzt jedes einzelne Photon nicht genügend Energie zur Auslösung eines Elektrons. Eine Erhöhung der Intensität erhöht nur die Anzahl der Photonen, nicht aber die Energie jedes einzelnen Photons.

1.5.1 $E_{\text{el}}$ für IR ($U = 1{,}30\text{ V}$)

Lösung: 2,08

1.5.1 $f$ für IR ($\lambda = 939\text{ nm}$)

Lösung: 3,19

1.5.1 $E_{\text{el}}$ für Rot ($U = 1{,}75\text{ V}$)

Lösung: 2,80

1.5.1 $f$ für Rot ($\lambda = 706\text{ nm}$)

Lösung: 4,25

1.5.1 $E_{\text{el}}$ für Grün ($U = 2{,}30\text{ V}$)

Lösung: 3,69

1.5.1 $f$ für Grün ($\lambda = 538\text{ nm}$)

Lösung: 5,57

1.5.1 $E_{\text{el}}$ für UV ($U = 3{,}80\text{ V}$)

Lösung: 6,09

1.5.1 $f$ für UV ($\lambda = 322\text{ nm}$)

Lösung: 9,31

1.5.3 Bestimmen Sie die Steigung der Ausgleichsgeraden.

Lösung: $6{,}6\cdot 10^{-34}$ J·s

1.5.3 Erklären Sie die physikalische Bedeutung dieses Werts.

Lösung: Die Steigung entspricht etwa dem Planck’schen Wirkungsquantum, da die Energie der Elektronen gemäß $E = h \cdot f$ in Licht umgewandelt wird.