2
3. Descrizione
L’apparecchio per la misura della costante di
Planck serve la determinazione della costante di
Planck
h
e l’estrazione degli elettroni
W
dal
catodo al cesio della fotocellula secondo il
metodo della forza controelettromotrice.
Esso comprende una fotocellula a vuoto, un
voltmetro per la misurazione della forza
controelettromotrice, un nanoamperometro per la
misurazione della fotocorrente e una sorgente di
tensione per LED. Cinque diodi ad emissione
luminosa (LED) con lunghezza d’onda media
conosciuta vengono utilizzati come sorgente
luminosa a frequenza diversa. L’intensità della
luce emessa può variare da 0 a 100%. La
fotocellula è composta da un catodo vaporizzato
al cesio e un anodo ad anello. Quando
l’apparecchio è acceso, fra questi elettrodi è
presente una tensione variabile in maniera
approssimativa o fine tramite due regolatori.
L’alimentazione di tensione dell’apparecchio è
effettuata mediante l’alimentatore a spina fornito
in dotazione. L’apparecchio per la misura della
costante di Planck con numero articolo 1000536
/ U10700-115 è predisposto per una tensione di
rete di 115 V (±10 %), mentre quello con numero
articolo 1000537 / U10700-230 è predisposto per
una tensione di 230 V (±10 %).
4. Dati tecnici
Fotocellula:
tipo 1P39, cesio (Cs)
Voltmetro:
3½ cifre, LCD
Precisione:
0,5 % (normalmente)
Nanoamperometro: 3½ cifre, LCD
Precisione:
1 % (normalmente)
Diodi luminosi:
472 nm, 505 nm, 525 nm,
588 nm, 611 nm
Dimensioni:
280 x 150 x 130 mm³
Peso:
ca. 1,3 kg
5. Principi teorici
Il cosiddetto effetto fotoelettrico rappresentò tra
la fine del XIX e l'inizio del XX secolo, quando si
ritenne la fisica praticamente completata, uno
degli ultimi enigmi. La spiegazione di questo
fenomeno non era possibile con la teoria
classica. Nel 1905, Einstein riuscì fornirne una
spiegazione teorica semplice e geniale
servendosi della teoria quantica introdotta da
Max Planck. Egli supponeva che la luce
consistesse di particelle, dette fotoni. L'energia
E
di tale fotoni (quanti di luce) doveva essere
direttamente
proporzionale
alla
relativa
frequenza
f
e la durata dell'impulso
p
indirettamente proporzionale alla lunghezza
d'onda
:
/
E
h f p h
La costante di proporzionalità
h
è proprio la
costante di Planck. Ciò significa che l'energia
sotto forma di radiazione elettromagnetica può
essere propagata solo in piccoli pacchetti, definiti
quanti. Questa grandezza minima dipende dalla
frequenza. La costante di Planck è una costante
naturale fondamentale e ha un valore preciso
h
=
6,62606896*10
-34
Js.
Nell'esperimento, la luce del diodo luminoso
collegato giunge sul catodo attraverso un anodo
ad anello. Se un elettrone viene colpito da un
fotone, per l'effetto fotoelettrico quest'ultimo
rilascia tutta la propria energia (
E h f
). Una
parte dell'energia serve a strappare l'elettrone
dalla superficie metallica (lavoro di estrazione
W
), mentre il resto è disponibile all'elettrone
come energia cinetica:
kin
E
h f W
Il lavoro di estrazione tratta di una grandezza
dipendente dal materiale e dalla temperatura e
ammonta per il cesio a 2,14 eV a 0 K e a circa 2
eV a temperatura ambiente.
A seconda della forza controlettromotrice
applicata fra catodo e anodo, dal catodo
all’anodo scorre una corrente elettronica
misurabile con il nanoamperometro. Se la forza
controelettromotrice corrisponde alla tensione
massima
U
0
con
0
kin
e U
E
h f W
e
19
1,6021 10 C
e
allora tale corrente raggiungerà il valore di 0 nA.
In un diagramma
0
e U
-
f
, le tensioni massime
U
0
misurate per le diverse frequenze
f
si trovano su
una retta con inclinazione
h
e sezione dell’asse y
W
. Per ciascun materiale catodico, la sezione
dell’asse y della retta corrispondente è diversa.
L'incremento della retta è indipendente dal
materiale catodico.
6. Funzionamento
6.1 Misurazione della tensione massima con
intensità luminosa al 75%.
Collegare l’alimentatore.
Impostare l’intensità della sorgente luminosa
al 75%.
Inserire il connettore della prima sorgente
luminosa nel jack di raccordo per LED.
Premere l’uno contro l’altro i perni di fissaggio
dell’involucro del tubo di alloggiamento della
fotocellula e togliere l’involucro.
