Practicum: Fotoelektrisch effect en constante van Planck – Klas 5 VWO

In dit practicum voor 5 vwo onderzoek je het fotoelektrisch effect: het vrijkomen van elektronen uit een metaaloppervlak door invallend licht. Je bepaalt de drempelfrequentie en berekent de constante van Planck via E_foton = h × f.

Leerdoel

Na dit practicum kun je het fotoelektrisch effect verklaren met het deeltjeskarakter van licht, de stoppotentiaal gebruiken om de maximale kinetische energie van foto-elektronen te bepalen, h berekenen uit een U_stop-f-grafiek en de uittredingsarbeid van een metaal bepalen.

Cursusniveau en vakgebied

Niveau: VWO klas 5 | Vak: Natuurkunde | Domein: E2 Elektromagnetische straling en materie | Fotoelektrisch effect, fotonen, constante van Planck, uittredingsarbeid, golf-deeltje-dualiteit

Benodigdheden

• Fotoelektrisch effect-apparaat (vacuümbuis met fotokathode en anode)
• Lichtbron met gekleurde filters (of LEDs van bekende golflengten: violet, blauw, groen, geel)
• Variabele tegenspaningsbron (0–3 V) en voltmeter
• Galvanometer of microampèremeter
• Golflengtedatakaart (of BINAS tabel 7)

Achtergrondinformatie

Volgens Einsteins fotontheorie draagt elk foton energie E = h × f = h × c/λ. Bij het fotoelektrisch effect geldt: E_foton = W_uittreding + E_k,max, dus: h × f = W + e × U_stop. Door de stoppotentiaal U_stop te meten bij verschillende lichtfrequenties f, kun je h bepalen als richtingscoëfficiënt van de U_stop-f-grafiek: e × U_stop = h × f − W → helling = h/e.

Werkwijze

1. Stel de lichtbron in op de violet filter (λ ≈ 420 nm). Schakel de lichtbron in.
2. Verhoog de tegenspaanning U_stop totdat de fotoelektrische stroom precies nul is (galvanometer geeft nul). Noteer U_stop.
3. Herhaal voor blauw (λ ≈ 470 nm), groen (λ ≈ 530 nm) en geel (λ ≈ 580 nm).
4. Bereken voor elke kleur: f = c/λ (c = 3,0 × 10⁸ m/s).
5. Teken U_stop-f-grafiek. Richtingscoëfficiënt = h/e → bepaal h.

Meettabel

Verwerkingsvragen

1. Bereken de energie van een foton met λ = 450 nm (blauw) in Joule en eV.
2. De richtingscoëfficiënt van de U_stop-f-grafiek is 4,1 × 10⁻¹⁵ V·s. Bereken h (e = 1,6 × 10⁻¹⁹ C).
3. Verklaar waarom rood licht (λ = 700 nm) geen foto-elektrisch effect geeft bij cesium (W = 2,0 eV), maar violet licht (λ = 400 nm) wel.

Uitwerking

Verwachte stoppotentialen (W_kathode ≈ 2,0 eV)

V1: E = hf = hc/λ = (6,63×10⁻³⁴ × 3,0×10⁸) / (450×10⁻⁹) = 4,42×10⁻¹⁹ J = 2,76 eV.

V2: h = (richtingscoëfficiënt) × e = 4,1×10⁻¹⁵ × 1,6×10⁻¹⁹ = 6,56×10⁻³⁴ J·s ≈ 6,6×10⁻³⁴ J·s.

V3: E_rood = hc/(700×10⁻⁹) = 1,78 eV < W (2,0 eV) → geen elektron losgemaakt. E_violet = hc/(400×10⁻⁹) = 3,11 eV > W (2,0 eV) → elektronen komen vrij. Het golflengte-mechanisme is discreet (quantummechanisch): alleen als E_foton > W treedt het effect op, ongeacht de intensiteit.

Benodigde laboratoriumapparatuur van Labvakhandel

Labvakhandel levert fotoelektrisch effect-apparatuur, gekalibreerde lichtbronnen met filters en precisie-voltmeters voor kwantumfysica-experimenten in het vwo.

Bekijk het assortiment natuurkunde materiaal of neem contact op voor advies.

Meer practicumopdrachten

Ontdek alle practica in de Labvakhandel kennisbank — voor biologie, scheikunde en natuurkunde.