4 Het Foto Elektrisch Effect Vervolg
Op de maan is er geen atmosfeer. Toch komt het er regelmatig voor dat voorwerpen die verder weg zijn wazig lijken, alsof het er mistig is.
Waar komt die 'mist' op de maan vandaan?
We gaan in deze les verder met het foto-elektrisch effect, waarnaar we in de vorige les al onderzoek gedaan hebben.
Met behulp van een computersimulatie zullen we het foto-elektrisch effect nader gaan onderzoeken.
Klik op hier en start de simulatie door op de afbeelding onder 'Photoelectric Effect' te klikken. Maak vervolgens opdracht 11.
Opdracht 11
Er zijn drie regelknoppen in de simulatie.
• Varieer de waarden van deze regelknoppen en onderzoek voor elk van de knoppen welke grootheid je ermee kunt veranderen.
• Beschrijf welke veranderingen je ziet optreden bij het variëren van de grootheden.
• Verklaar de verschijnselen die je ziet plaatsvinden.
4.2
Opdracht 12
Start de simulatie nogmaals en voer de volgende opdrachten uit.
Klik hier.
a
Zet de intensiteit op 100%.
Zet de golflengte op 500 nm.
Zet een vinkje bij 'Current vs battery voltage'.
Varieer de spanning van -4 tot +8 volt in minimaal 10 stapjes en maak in Excel een tabel waarin je de stroomsterkte uitzet tegen de spanning.
Maak van de tabel een grafiek, waarin je aangeeft bij welke spanning er voor het eerst elektronen de overkant weten te bereiken.
Doe hetzelfde voor een golflengte van 250 nm. Wat valt je op?
4.3
Opdracht 13
De grafieken die je hebt gemaakt bij opdracht 12 hebben als het goed is dezelfde vorm als de grafiek hierboven.
Beantwoord van de bovenstaande grafiek de volgende vragen:
Hoe groot is de verzadigingsstroom?
Hoe groot is de remspanning (dat is de tegenspanning die nodig is om de stroom te stoppen)?
Hoe zou de grafiek veranderen als er straling met een kortere golflengte gebruikt zou worden?
4.4
De verklaring voor alle verschijnselen die we zijn tegengekomen in de voorgaande opdrachten is het gevolg van een simpel verband:
Toelichting
Een foton met een energie Ef valt op het kathodemateriaal en kan dan een elektron uit het materiaal wegslaan.
Daar is een bepaalde hoeveelheid energie voor nodig, die we de uittree-energie noemen (Eu). Het lukt dus alleen als de energie van het foton minstens zo groot is als de uittree-energie.
Als de energie van het foton groter is dan de uittree- energie, zal het resterende deel van de fotonenergie meegegeven worden aan het elektron in de vorm van kinetische energie (Ek).
4.5
De waarde van de uittree-energie is afhankelijk van de stof waarop het foton terechtkomt. Die waarde kunnen we terugvinden in Binas, tabel 24.
Opdracht 14
Bepaal met de tabel hoeveel energie het kost om een elektron uit kwik los te slaan. Welke golflengte van straling heb je daar minimaal voor nodig?
4.6
Opdracht 15 - Bepaling van de uittree-energie
Een bepaald kathodemateriaal is gevoelig voor al het zichtbare licht.
Hoe groot moet de uittree-energie van dat materiaal dan minimaal of maximaal zijn? Licht je antwoord toe.
4.7
Opdracht 16 - Metingen aan een fotocel
Een fotocel waarvan de kathode is bedekt met een laagje cesium (Cs) is opgenomen in de schakeling van de onderstaande figuur. Op de kathode valt elektromagnetische straling.
Voor welke golflengten treedt bij Cs foto-emissie op? Licht je antwoord toe.
Schakeling voor het meten van de fotostroom.
Bij verschillende waarden van UAK wordt de fotostroom gemeten. Deze metingen zijn in grafiek a weergegeven. In grafiek b is een deel van grafiek a vergroot weergegeven.
Grafiek a - het verband tussen de fotostroom en UAK
Grafiek b - een deel van grafiek a
Uit grafiek a blijkt dat, bij het toenemen van de spanning tussen anode en kathode, vanaf een bepaalde waarde van UAK de stroomsterkte niet meer toeneemt.
Uit de grafiek blijkt dat bij een kleine negatieve spanning tussen de anode en kathode toch een stroom loopt.
Geef hiervoor een verklaring.
Bepaal met behulp van de grafiek hoe groot de kinetische energie van de elektronen is bij het verlaten van de kathode.
Bereken de grootste frequentie die in de gebruikte elektromagnetische straling aanwezig is.
4.8
Opdracht 17 - Foto-elektrisch effect bij het licht van een gloeilamp
Een gloeilamp is op een te lage spanning aangesloten en zendt daardoor geen wit licht uit, maar oranje-geel licht. De kleinste golflengte van het uitgezonden licht is 500 nm. Een deel van het licht valt op de kathode van een fotocel. Het kathodemateriaal heeft een grensgolflengte van 660 nm.
Bereken de uittree-energie van het kathodemateriaal.
Bereken de kinetische energie waarmee de elektronen de kathode verlaten.
Waarom hoef je hierbij alleen rekening te houden met de kleinste golflengte van het uitgezonden licht?
Met deze opstelling wordt het (I,UAK)-diagram hieronder bepaald.
d
Heeft het invloed op het aantal elektronen dat per seconde de kathode verlaat als we er nog een zelfde gloeilamp bij zetten? Zo ja, hoe? Licht je antwoord toe.
Heeft de extra gloeilamp invloed op de snelheid van de elektronen die de kathode verlaten? Zo ja, hoe? Licht je antwoord toe.
Neem de bovenstaande figuur over en schets hierin de grafiek bij een twee keer zo grote lichtintensiteit.
Ga in de volgende opdrachten weer uit van een enkele gloeilamp. De gloeilamp wordt aangesloten op een hogere spanning en zendt nu wit licht uit met 380 nm als kleinste golflengte.
Beantwoord voor deze situatie de vragen d en e.
Welk gegeven heb je nodig om ook de grafiek van deze situatie te tekenen?
4.9
Opdracht 18 - Bepaling van de constante van Planck
Een fotocel wordt belicht met verschillende kleuren licht waarvan de frequenties bekend zijn. Bij iedere frequentie wordt de remspanning gemeten.
In de tabel van figuur a staan de gemeten waarden.
Figuur a - Tabel met gemeten waarden.
a
Teken met behulp van deze gegevens het (Urem,f)- diagram.
Bepaal de grensfrequentie.
Bepaal de uittree-arbeid in J en eV.
