ĆWICZENIE 84

BADANIE ZEWNĘTRZNEGO ZJAWISKA FOTOELEKTRYCZNEGO

1. Celem ćwiczenia było zapoznanie się z zewnętrznym zjawiskiem fotoelektrycznym, podstawowymi prawami rządzącymi tym zjawiskiem, zbadanie zależności natężenia prądu fotoelektrycznego od wielkości przyłożonego do fotokomórki napięcia i od natężenia oświetlenia oraz od długości światła padającego na katodę.

2. Mianem zjawiska fotoelektrycznego określa się pewne zjawiska elektryczne występujące w ciałach pod wpływem promieniowania elektromagnetycznego. Do zjawisk tych należą: zmiana przewodnictwa elektrycznego, powstanie siły elektromotorycznej oraz emisja elektronów z ciała do otaczającej je przestrzeni. Wyróżnia się trzy rodzaje zjawiska fotoelektrycznego, zwanego także fotoefektem:

- zjawisko fotoelektryczne zewnętrzne polegające na emisji elektronów z ciała pod wpływem promieniowania elektromagnetycznego. Obserwuje się je zarówno w ciałach skondensowanych, jak i w gazach.

- zjawisko fotoelektryczne wewnętrzne polegające na wzroście przewodności elektrycznej ciała pod wpływem oświetlenia. Mówi się wówczas o przewodnictwie. Obserwuje się je w półprzewodnikach i dielektrykach,

- zjawisko fotoelektryczne zaworowe, zwane także efektem fotowoltaicznym, polegające na powstaniu siły elektromotorycznej na złączu półprzewodnika i metalu.

3. Do badania praw rządzących zjawiskiem fotoelektrycznym zewnętrznym używa się komórki fotoelektrycznej próżniowej. Komórka próżniowa jest lampą dwuelektrodową. Katoda jest wykonana z materiału emitującego elektrony pod wpływem promieniowania świetlnego i dlatego jest często nazywana fotokatodą. Fotokatoda może mieć kształt płytki wykonanej z metalu, której powierzchnia pokryta jest odpowiednio spreparowaną warstwą fotoczułą. Elektrony wybijane z katody przez strumień światła są zbierane przez anodę, która ma kształt pętli, spirali lub siatki. Aby umożliwić fotoelektronom swobodny przepływ do anody, wnętrze lampy opróżnia się bardzo dokładnie z powietrza.

3.1 Schemat do badania zjawiska fotoelektrycznego zewnętrznego.

4. Zjawisko emisji fotoelektronowej ( dla światła o jakiejś długości fali i pewnej powierzchni materiału, z którego wykonana jest fotokatoda ), jeżeli występuje to wartość natężenia prądu płynącego przez fotokomórkę zależy od natężenia oświetlenia fotokatody, od długości fali światła oraz od napięcia między anodą a katodą.

4.1 Liczbę elektronów wyrzucanych z fotokatody w jednostce czasu możemy zwiększyć lub zmniejszyć, wzmacniając lub osłabiając natężenie oświetlenia.

Pomiary przeprowadziliśmy dla napięcia na fotokomórce równego 100 V

Pierwszy pomiar :

Odl. [cm]	10	15	20	25	30	35	40	45	50
Nat. [μA]	75.0	19.0	8.00	4.75	3.00	2.00	1.30	1.05	0.90

Odl. [cm]	55	60	65	70	75	80	85	90	95
Nat. [μA]	0.75	0.55	0.50	0.40	0.30	0.25	0.25	0.20	0.20

Drugi pomiar:

Odl. [cm]	95	90	85	80	75	70	65	60	55
Nat. [μA]	0.20	0.20	0.25	0.25	0.30	0.40	0.50	0.55	0.75

Odl. [cm]	50	45	40	35	30	25	20	15	10
Nat. [μA]	0.90	1.10	1.30	2.00	3.10	5.20	8.75	19.5	75.0

gdzie :

- Odl.-jest odległością źródła oświetlenia od komórki fotoelektrycznej

próżniowej,

- Nat. - natężenie prądu fotoelektrycznego przepływającego przez

komórkę,

Pomiarów dokonano :

- amperomierzem magnetoelektrycznym kl.0.5 o zakresach 15,30,75μA

z błędami ΔN₁= 0.01 * 0.5 * 15 = 0.08 μA , ΔN₂= 0.15 μA ,

ΔN₃= 0.38 μA,

- woltomierzem magnetoelektrycznym kl.0.5 o zakresie 150 V i błędzie

ΔU = 0.75 V

- odległości - ławą z podziałką o błędzie Δl = 0.01cm

Do wyznaczenia zależności prądu fotoelektrycznego od oświetlenia wzięto wartości średnie obu pomiarów i zebrano wyniki w tabeli w postaci zależności
, a także przedstawiono w postaci wykresu - wykres nr 1.

J [lx]	100	44.44	25.00	16.00	11.11	8.16	6.25	4.94	4.00
N[μA]	75.00	19.25	8.60	4.90	3.05	2.00	1.30	1.08	0.90

J [lx]	3.30	2.78	2.37	2.04	1.78	1.56	1.38	1.23	1.11
N [μA]	0.75	0.55	0.50	0.40	0.30	0.25	0.25	0.20	0.20

4.2 Zależność natężenia prądu fotoelektrycznego od napięcia przyspieszającego.

Jeśli katodę fotokomórki oświetlimy światłem monochromatycznym, to przy określonym stałym natężeniu oświetlenia z katody wyzwala się w jednostce czasu określona, stała liczba elektronów.

Gdy jest niskie napięcie przyspieszające, wówczas nie wszystkie fotoelektrony, które opuściły katodę w jednostce czasu, zostaną w tym samym przedziale czasu doprowadzone do anody. W otoczeniu katody istnieje więc chmura elektronowa i ustala się stan równowagi dynamicznej, polegający na tym, że część elektronów, które opuściły katodę, a nie zostały przyjęte przez anodę powraca do katody. Zwiększenie napięcia przyspieszającego powoduje szybki przyrost natężenia prądu, aż do osiągnięcia wartości zwanej prądem nasycenia I_S.

Odpowiada to sytuacji, gdy wszystkie fotoelektrony wyemitowane z katody będą natychmiast przyjmowane przez anodę. Zwiększanie napięcia przyspieszającego nie może już zwiększyć natężenia prądu.

Pomiaru zależności natężenia prądu od napięcia dokonano dla oświetlenia z odległości 20 i 40 cm. Wyniki zebrano w tabeli, a także przedstawiono w postaci wykresu zależności J od U -wykres nr 2.

Pomiar pierwszy:

U [V]	200	100	90	80	70	60	50	40
I [μA]	9.50	9.50	9.50	9.50	9.40	9.30	9.20	9

U [V]	30	20	10	8	6	4	2	0
I [μA]	8	7	5	4.25	3.50	2.25	1.50	0.10

Pomiar drugi:

U [V]	200	100	90	80	70	60	50	40
I [μA]	1.75	1.50	1.50	1.50	1.50	1.50	1.50	1.50

U [V]	30	20	10	8	6	4	2	0
I [μA]	1.45	1.40	1.25	1.10	1	0.75	0.50	0

gdzie:

- U - napięcie przyspieszające na fotokomórce,

- I - natężenie prądu fotoelektrycznego,

błędy pomiarów :

ΔU = 0.75 V , ΔI = 0.08 μA,

5. Wyznaczenie czerwonej granicy zjawiska fotoelektrycznego i pracy wyjścia elektronów z powierzchni fotokatody.

5.1 Ze zmianą długości fali światła padającego na fotokatodę, przy zachowaniu stałej wartości natężenia oświetlenia, a także napięcia gwarantującego uzyskanie prądu nasycenia, natężenie prądu fotoelektrycznego zmienia się bardzo znacznie.

W celu ilościowego scharakteryzowania własności fotoemisyjnych różnych substancji wprowadza się pojęcie czułości fotoelektrycznej spektralnej, której miarą jest stosunek natężenia prądu fotoelektrycznego do strumienia monochromatycznego światła padającego na fotokatodę.

Charakterystyczny jest zanik prądu, gdy długość fali światła padającego na katodę przekroczy pewną wartość graniczną λ₀ ( odpowiadającą częstości progowej ν₀ ), którą w związku z tym nazywa się długofalową lub „czerwoną” granicą fotoefektu. Dla większości metali długofalowa granica zjawiska fotoelektrycznego przypada na zakres ultra fioletu.

Do wyznaczenia czerwonej granicy zjawiska fotoelektrycznego, w przedstawionym niżej schemacie układu pomiarowego, użyto monochromatora SPECOL .

Schemat układu pomiarowego.

Przy bezpośrednim obserwowaniu promieniowania pochodzącego z monochromatora SPECOL zaobserwowano następujące barwy światła dla różnych długości fali :

Wyniki pomiarów zebrano w tabeli:

λ[nm]	700	690	680	670	660	650	640	630	620	610
I[μA]	2	2	2	2	2	2	2	3	3	4

λ[nm]	600	590	580	570	560	550	540	530	520	510
I[μA]	5	6	7.5	8.5	9.5	11	13	14.5	16	17

λ[nm]	500	490	480	470	460	450	440	430	420	410
I[μA]	18	18	17	18	18.5	18.5	18	18	17	16

λ[nm]	400	390	380	370	360	350	340	330	320	310
I[μA]	15	13.5	11	9	6.5	4.5	2.5	2	-	-

gdzie:

- wartość napięcia na fotokomórce U = 100 V,

- λ - długość fali,

- I - natężenie prądu fotoelektrycznego,

błędy :

Δλ = 1 nm , ΔU = 0.75 V,

Wykres zależności natężenia prądu fotoelektrycznego od długości fali elektromagnetycznej - rys. nr 3.

Czerwona granica zjawiska fotoelektrycznego dla badanej fotokomórki wynosi 500 nm.

5.2 Praca wyjścia elektronów z powierzchni fotokatody.

Jeśli fotoelektron o nadmiernej energii hν znajduje się na powierzchni metalu, może opuścić metal kosztem pewnej energii ( zwanej pracą wyjścia W ), potrzebnej na przezwyciężenie sił powierzchniowych. Fotoelektron znajdujący się początkowo w głębi metalu traci zwykle podczas wędrówki ku powierzchni część swej energii zderzając się z innymi elektronami.

Tak więc maksymalna energia kinetyczna, z jaką fotoelektron może opuścić powierzchnię metalu, jest dana wyrażeniem ,natomiast częstotliwość progową, poniżej której emisja fotoelektronów nie może wystąpić, otrzymujemy z równania

gdzie W jest pracą wyjścia elektronów.

6. Wnioski :

W przeprowadzonym ćwiczeniu zapoznaliśmy się ze zjawiskiem fotoelektrycznym zewnętrznym i podstawowymi prawami nim rządzącymi. W punkcie pierwszym badaliśmy zależność natężenia prądu fotoelektrycznego od oświetlenia fotokatody. Po zebraniu pomiarów i naniesieniu ich na wykres zauważono że przy niższych wartościach natężenia oświetlenia zależność ta nie jest liniowa co może być spowodowane zmianą rozkładu energii w widmie promieniowania oświetlającego katodę.

Następnie badaliśmy zależność natężenia prądu fotoelektrycznego od napięcia przyspieszającego w wyniku czego otrzymaliśmy wykres tej zależności. Wykres nie uwzględnia napięcia blokującego co jest wynikiem niedokładności przyrządów jakie mieliśmy do dyspozycji. Możemy na nim odczytać wartość prądu nasycenia, co odpowiada sytuacji ,kiedy wszystkie fotoelektrony wyemitowane z katody będą przyjmowane przez anodę. Zwiększanie napięcia przyspieszającego nie może już zwiększyć natężenia prądu.

W ostatnim punkcie zbadaliśmy zależność natężenia prądu od długości światła co pozwoliło nam odczytać z wykresu czerwoną granicę fotoefektu i obliczyć pracę wyjścia elektronów z metalu.

---