WYZNACZANIE CZUŁOŚCI WIDMOWEJ FOTOKOMÓRKI Sabina Fedyk

WYZNACZANIE CZUŁOŚCI WIDMOWEJ FOTOKOMÓRKI Sabina Fedyk

Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest wyznaczenie czułości widmowej fotokomórki oraz wyznaczenie długości fali monochromatycznej.

Wymagania do kolokwium

1) Światło jako fala elektromagnetyczna.

2) Dualizm korpuskularno-falowy światła.

3) Fotonowa hipoteza Einsteina.

4) Praca wyjścia elektronu z metalu.

5) Zewnętrzny efekt fotoelektryczny.

6) Równanie Einsteina zjawiska fotoelektrycznego.

7) Budowa i zasada działania fotokomórki. Charakterystyka fotokomórki.

8) Zastosowanie fotokomórki.

Literatura

1) II Pracownia Fizyczna- skrypt dla studentów , AP Kraków.

2) S. Szczeniowski , Fizyka doświadczalna cz. V, Fizyka atomowa, PWN, Warszawa 1967.

3) D. Halliday, R. Resnick, J. Walker, Podstawy fizyki t. 4, PWN, Warszawa 2003.

4) M. Rusek, J. Pasierbiński, Elementy i układy elektroniczne w pytaniach i odpowiedziach, Wydawnictwo Naukowo- Techniczne, Warszawa 1991.

5) S. Szydłowski, Pracownia fizyczna, PWN, Warszawa 1999.

6) http://www.if.pwr.edu.pl/~wozniak/fotometria_pliki/Fotometria_7.pdf.

7) http://oporek.republika.pl/wykl_el/05_polprz.pdf.

Wstęp

Fale świetlne są falami elektromagnetycznymi, o długości w zakresie od 380 do 780 nm.

Najkrótsze z tych fal widzimy jako światło o barwie fioletowej, najdłuższe – jako światło o barwie czerwonej. Wrażenie świetlne wywołuje wektor elektryczny, dlatego ten wektor nazwany jest wektorem świetlnym.

Rys.1.Widmo promieniowania elektromagnetycznego

Dualizm korpuskularno- falowy fali elektromagnetycznej wynika z tego, że fala elektromagnetyczna w takich zjawiskach jak interferencja czy dyfrakcja wykazuje typowe własności falowe. Istnieją również takie zjawiska jak efekt Comptona czy efekt fotoelektryczny, w których jest wymagane aby przyjąć iż fala elektromagnetyczna ma naturę korpuskularną, tzn. jest strumieniem cząstek zwanymi fotonami. Własności falowe i korpuskularne uzupełniają się wzajemnie, dlatego aby opisać w pełni fale elektromagnetyczną należy je obie uwzględnić.

Zjawisko fotoelektryczne.

W 1887 r. H.G.Hertz, a w 1899 r. P.Leonard jako pierwsi wykazali, że promieniowanie świetlne powoduje emisję elektronów z metali i od tej pory zjawisko to - zwane później efektem fotoelektrycznym zewnętrznym. Zjawiska tego nie można było wytłumaczyć na gruncie fizyki klasycznej w której światło było traktowane wyłącznie jako fala elektromagnetyczna. Hertz i Lenard odkryli

równocześnie, że wyładowanie elektryczne między dwoma elektrodami zachodzi łatwiej, gdy na jedną z elektrod pada promieniowanie nadfioletowe.

Próba zinterpretowania efektu fotoelektrycznego na gruncie falowej teorii światła nie jest możliwa, gdyż według tej teorii energia fali zależy od natężenia światła (czyli od kwadratu amplitudy fali). Na postawie doświadczenia wykazano iż istnieje pewna charakterystyczna częstotliwość graniczna n⁰ (zależna od materiału fotokatody). Dla częstotliwości mniejszych od n⁰ efekt fotoelektryczny nie występuje, niezależnie od tego jak silne jest natężenie światła.

Przy czym:

 Ilość fotoelektronów jest proporcjonalna do strumienia świetlnego.

 Energia kinetyczna fotoelektronów jest wprost proporcjonalna do częstotliwości drgań światła ( E = h)

 Prędkość emitowanych fotoelektronów nie zależy od natężenia światła.

Zgodną z wynikami eksperymentalnymi interpretację zjawiska fotoelektrycznego podał dopiero w roku 1905 A. Einstein proponując tzw. fotonową teorię zjawiska fotoelektrycznego. Według tej teorii należy traktować światło jak strumień cząstek (fotonów). Każdy foton posiada energię h , gdzie h – stała Plancka, – częstotliwość światła. Przy takim założeniu efekt fotoelektryczny jest zjawiskiem zderzenia dwóch cząstek: fotonu z elektronem uwięzionym w metalu. Dla takiego zderzenia Einstein napisał zasadę zachowania energii w postaci:

V W h  m 

2

2 0 max



W – praca wyjścia elektronów z metalu;

Vmax– maksymalna prędkość emitowanych elektronów;

Prawdopodobieństwo pochłaniania przez dany elektron dwóch lub więcej fotonów jest bardzo małe i dlatego liczba emitowanych elektronów jest proporcjonalna do ilości padających fotonów (aktów absorpcji).

Dla każdego metalu istnieje określona energia, zwana progiem emisji elektronów (minimalna częstotliwość gh=W ), przy której obserwuje się fotoefekt. Dla hg < W fotoefektu nie obserwuje się. W jest to tzw. prac wyjścia – praca wyjścia elektronów z metalu; vmax– maksymalna prędkość emitowanych elektronów.

Emitowane elektrony mają określony rozkład energetyczny. Wartości energii kinetycznej fotoelektronów leżą w granicach od wartości zero do pewnej wartości

maksymalnej. Rozkład ten zależy od struktury materiału próbki i przebiegu procesu przekazywania energii fotoelektronowi. Wyróżnia się trzy etapy procesu:

 Foton przekazuje całą swoją energie elektronowi i przenosi go na wyższy poziom energetyczny.

 Elektron wskutek zderzeń z siecią traci część pochłoniętej energii, powodując wzbudzenie fononu lub traci ją wskutek zderzeń z elektronami.

 Wzbudzony elektron wydostaje się na zewnątrz materiału pokonując barierę potencjału w metalu. Ze względu na przypadkowy charakter zderzeń ilość przekazywanej energii może zmienić się od jednego aktu zderzenia do drugiego. Prowadzi to w efekcie do rozkładu prędkości emitowanych elektronów.

Rys.1. Schemat fotokomórki

Fotokomórka jest urządzeniem, które działa w oparciu o zjawisko fotoelektryczne zewnętrzne.

Zbudowana jest ona ze szklanej bańki (próżniowej lub wypełnionej gazem), której jedna połowa jest pokryta metalem o stosunkowo małej wartości pracy wyjścia(katoda), a naprzeciw niej znajduje się druga elektroda (anoda), której zadaniem jest zbieranie uwolnionych w wyniku fotoefektu elektronów. Obydwie elektrody mają wyprowadzenie na zewnątrz i są podłączone do zewnętrznego źródła napięcia. Oświetlanie fotokomórki powoduje przepływ prądu elektrycznego przez obwód, gdyż następuje wówczas emisja elektronów z fotokatody. Przerwanie dopływu światła powoduje natychmiastowy zanik natężenia fotoprądu.

Fotokomórki znajdują obecnie bardzo szerokie zastosowanie. Używane są one m.in.

w systemach alarmowych, systemach automatycznego otwierania drzwi, układach mierzących czas podczas zawodów sportowych, czytnikach kodów kreskowych, czy wreszcie jako odbiorniki sygnału w urządzeniach elektronicznych (np. pilot do telewizora, mysz optyczna komputera).

Opis stanowiska badawczego

Rys. 3. Schemat połączeń do wyznaczania czułości widmowej fotokomórki, gdzie: Z- zasilacz, V- woltomierz, F- fotokomórka, Ż- źródło światła, M- monochromator

Przebieg ćwiczenia

Cz.1. Wyznaczanie czułości widmowej fotokomórki

1) Zapoznać się z charakterystyką fotokomórki oraz z układem badawczym 2) Ustalić napięcie na fotokomórce na 80 V

3) Obracając bębnem monochromatora zmieniać długość fali strumienia świetlnego

padającego na fotokomórkę. Dla każdej długości fali zapisać wskazania miliwotomierza . Pomiar dokonaj w zakresie od λ=750 nm do λ=400 nm, oraz od λ=400 nm do λ=750 nm.

4) Wyniki zapisz w tabelce

Cz.2. Wyznaczanie zależności temperaturowej przewodnictwa elektrycznego w półprzewodnikach. Wyznaczanie energii aktywacji

1) Zmień źródło światła - dioda luminescencyjna 2) Ustalić napięcie na fotokomórce na 80 V

3) Obracając bębnem monochromatora zmieniać długość fali strumienia świetlnego padającego na fotokomórkę. Dla każdej długości fali zapisać wskazanie miliwoltomierza.

4) Wyniki zapisz w tabelce

Uwaga: Układ badawczy jest bardzo czuły na ruch. Podczas wykonywania pomiaru nie chodzić koło stolika.

Opracowanie wyników

Wyniki pomiaru umieszczane są w tabeli.

Tab. 1. Wyniki pomiaru

Odczyt na bębnie Długość λ [nm] Wskazanie miliwoltomierza U(mV)

Niepewność pomiaru dU (mV)

W sprawozdaniu należy zamieścić:

1) Schemat stanowiska badawczego

2) Tabele pomiarów dla pomiaru od λ=750 nm do λ=400 nm 3) Tabele pomiarów dla pomiaru od λ=400 nm do λ=750 nm.

4) Wykresy zależności U(λ) wraz z niepewnością pomiaru dla każdego pomiaru.

5) Porównanie wyników pomiaru od dłuższych długości fali elektromagnetycznej do krótszej i od krótszej do dłuższej. W przypadku wystąpienia różnic, wyjaśnienie ich przyczyn.

6) Tabela pomiaru dla fali monochromatycznej

7) Wykresy zależności U(λ) wraz z wyznaczeniem długości fali światła emitowanego przez diodę.

8) Wnioski i omówienie przeprowadzonego ćwiczenia.