Temat:

Zastosowanie fotokomórki do pomiarów fotometrycznych

Komórka fotoelektryczna jest lampą elektronową posiadającą dwie elektrody: anodę A i katodę K. Anoda stanowi drucik zwinięty w kształt pętli, katodę warstewka metalu alkalicznego ( Li, Na ,K, Cs ) napylana na tylną ściankę fotokomórki. Pod wpływem promieniowania o dostarczonej energii kwantów hn katoda emituje elektrony. Ich energia kinetyczna jest dana równaniem Einsteina:

gdzie L oznacza pracę potrzebną do wydobycia elektronu z metalu, tzw. pracę wyjścia. Energia ta, zależna liniowo od częstotliwości n padającego promienna, nie zależy od jego natężenia. Ilość elektronów emitowana w sekundzie przez oświetloną katodę jest wprost proporcjonalna do natężenia padającego promieniowania. Jeżeli pomiędzy anodą i katodą włączymy stałe napięcie, przez poniższy obwód popłynie prąd o natężeniu wskazanym przez galwanometr. Natężenie tego prądu jest dla fotokomórek próżniowych bardzo słabe (rzędu 1 [mA]; zależy ono od częstotliwości i natężenia promieniowania, rodzaju warstwy fotoczułej i przyłożonego napięcia. Prądy płynące przez fotokomórki gazowe są silniejsze dzięki „wzmocnieniu wewnętrznemu”: elektrony przyspieszane polem elektrycznym miedzy anodą i katodą rozpędzają się, zyskując energię kinetyczną dostateczną do jonizacji przez „zderzeni”. Wytwarzają one lawinę nowych jonów.

Zjawisko fotoelektryczne wykryte zostało przez H. Hertza przy doświadczeniach nad wywołaniem fal elektromagnetycznych. Zaobserwował on, że światło nadfioletowe padające na przerwę iskrową ułatwia wyładowanie., następnie udowodniono, że światło nadfioletowe padające na ujemnie naładowany przewodnik powoduje utratę ładunku, nie powoduje zaś rozładowanie ciała naładowanego dodatnio.

Jeśli skierujemy silny strumień światła nadfioletowego na ciało naelektryzowanego, to ładuje się ono dodatnio. Nie ulega więc wątpliwości, że pod wpływem światła metale tracą ładunek ujemny *wylatujące ładunki są elektronami ). 

Według Einsteina prędkość emitowanych fotoelektronów dana jest równaniem (1). Według Einsteina kwant światła padający na powierzchnię metalu zostaje w całości pochłonięty, jego energia zaś zostaje zużyta na:

1). wykonanie pracy wyjścia

2). nadanie elektronowi prędkości

Jeżeli naświetla się powierzchnie metalu promieniowaniem o coraz dłuższej fali, czyli o coraz mniejszej częstości, wtedy dochodzi się właśnie do takiej częstości , przy której energia kwantu będzie dokładnie równa pracy wyjścia hu=W.

Przy jeszcze mniejszej częstości fotoelektrony nie będą w ogóle emitowane. Doświadczenie stwierdza , że zjawisko fotoelektryczne jest wywoływane jedynie przez promieniowanie o częstości większej od pewnej częstości granicznej, czyli o fali krótszej od pewnej fali granicznej zwanej progiem fotoelektrycznym. Ze względu na trudności wyodrębnienia  z całkowitej energii promieniowania energii przypadającej na światło widzialne, które w dodatku jest mieszaninom fal różnej długości, a na które oko różnie reaguje.

Wyobraźmy sobie, że powierzchnia świecąca zmniejsza się coraz więcej, ale jednocześnie jasność powiększa się tak, że wysyłany strumień światła nie zmniejsza się. Otrzymamy w rezultacie punkt świecący, który w każdym kierunku w dany kąt bryłowy ono wysyła taki sam strumień światła, jak kandela w kierunku normalnym. Strumień światła emitowany przez takie punktowe źródło zawarty w jednostkowym kącie bryłowym przyjmuje się za jednostkowy zgodnie z równaniem: dФ=IdW, gdy I=1kandel, dW=1srd, to dФ=1, jednostkę tę nazywano lumen (punkt świecący mający światłość jednej kandeli wysyła w kąt 1srd strumień światła=1 lumen).

A

K

A

V

0 – 100[v]

I.  Sporządzić charakterystykę fotokomórki, tzn. wykreślić krzywą przedstawiającą zależność natężenia prądu płynącego przez fotokomórkę od napięci przyłożonego do jej elektrod  ( przy ustalonej wielkości oświetlenia ).

Zestawiamy układ elektryczny według schematu. Ustawiamy źródło światła w takiej odległości od fotokomórki , by przy nominalnym napięciu na fotokomórce wychylenie wskaźnika galwanometru było bliskie wychyleniu maksymalnemu. Załączamy z baterii anodowej coraz to wyższe napięcie lub odwrotnie ( skokami co kilka woltów ) i odczytujemy odpowiadające im natężenie prądu.