Nazwisko BŁAZIK		WYŻSZA SZKOŁA PEDAGOGICZNA w Rzeszowie
Imię KATARZYNA		Wykonano		Oddano
Kierunek Fizyka z informatyką II		27-03-2001	Podpis	4-04-2001	Podpis
Grupa laboratoryjna: VIII
Nr ćwiczenia 92	Temat ćwiczenia Badanie zjawiska fotoelektrycznego

Część teoretyczna

Zjawisko wyzwalania elektronów z ciał pod wpływem padającego na nie promieniowania elektromagnetycznego światła widzialnego, podczerwonego(nadfioletowego) dzielimy na trzy rodzaje:

-zjawisko fotoelektryczne zewnętrzne(powierzchniowe)

-zjawisko fotoelektryczne wewnętrzne(objętościowe)

-zjawisko fotowoltaiczne(fotoelektromotoryczne)

A.Einstein wyjaśnił mechanizm zjawiska fotoelektrycznego założył on (za Planckiem), że światło ma budowę ziarnisto-kwantową a energia jednego kwanta wynosi hν- gdzie h- jest stałą Plancka(
) a ν- częstotliwością drgań fali elektromagnetycznej padającej na dany metal. W myśl tych założeń strumień promieniowania składa się z pojedynczych kwantów posiadających określoną energię. Energia kwantu promieniowania czyli fotonu, padającego na powierzchnię metalu jest oddana całkowicie jednemu z elektronów metalu(przy czym kwant przestaje istnieć). Wymiana energii między elektronem a fotonem odbywa się w czasie około

Energia fotonu przekazana elektronowi może ulec podziałowi na pracę wyjścia i energię kinetyczną elektronu lub tylko na pracę wyjścia. Warunek wymiany energii możemy zapisać w postaci:

W- praca wyjścia

Praca wyjścia W nazywa się minimalną pracą konieczną do wyrzucenia elektronu o energii odpowiadającej energii na poziomie Feriniego z ciała stałego do otaczającej to ciało próżni. Podstawiając za pracę
gdzie :

5. jest to ładunek elektronu

- jest różnicą potencjałów przez jaką musi przejść elektron przy wychodzeniu na zewnątrz

W granicznym przypadku gdy cała energia pochłoniętego fotonu zostaje zużyta na pokonanie bariery potencjału a prędkość fotoelektronów jest równa 0,to:

, gdzie:

- graniczna częstość (przy której elektrony opuszczają powierzchnię metalu z prędkością 0) albo progowa częstotliwość promieniowania padającego

Prawa zjawiska fotoelektrycznego można wyrazić na gruncie teorii kwantów w sposób następujący:

PRAWO I

Ze wzrostem padającej energii promienistej (przy ustalonej długości fali promieniowania elektromagnetycznego) to jest ze zwiększeniem gęstości strumienia kwantów zwiększa się liczba elektronów wychodzących w jednostce czasu z jednej powierzchni oświetlanego ciała, lecz nie zmienia się ich prędkość(Vmax).

PRAWO II

Prędkość początkowa(Vmax) wychodzących na zewnątrz fotoelektronów jest tym większa, im krótsza jest padająca fala światła, tj. im większa jest energia kwantów promieniowania.

Pierwszą fotokomórkę skonstruowali Elster i Geitel, którzy w 1890 roku opisali typy fotokomórek szklanych zawierających substancje fotoelektryczne w postaci warstw metali alkaicznych, ich stopów lub amalgamatów umieszczonych w bańkach szklanych.

Dzisiaj komórki fotoelektryczne dzielimy na dwie grupy:

- próżniowe

- gazowe

WYKONANIE ĆWICZENIA:

1. Sporządzanie charakterystyki prądowo-napięciowej fotokomórki gazowanej.

1. 
   Połączyć układ pomiarowy według poniższego schematu:

2. Fotokomórkę i źródło światła ustawić na ławie optycznej w odległości:

0,4 - 0,9 m (Uwaga: Źródło światła powinno być punktowe, dlatego otworek oświetlacza nie może być szeroko otwarty).

3. Wyzerować mikroamperomierz. Oświetlić fotokomórkę. Zmieniając napięcie przyspieszające U od 0 do 75 V przy pomocy pokrętła regulacji płynnej odczytywać wskazania mikroamperomierza (I_f). (Uwaga: pokrętłem zasilacza należy manipulować ostrożnie, aby przypadkowo nie przekroczyć zakresu pomiarowego woltomierza, oraz maksymalnej wartości potencjału przyspieszającego fotokomórki).

4. Powtórzyć pomiary I_f=f(U) przy dwu innych, ustalonych odległościach źródła światła od fotokomórki.

II. Sporządzanie charakterystyk oświetleniowych fotokomórki gazowanej.

1. Zmontować układ jak w punkcie I.

Ustalić wartość napięcia przyspieszającego między elektrodami.

2. Zmieniać odległość L źródła światła od fotokomórki przesuwając żarówkę po ławie optycznej Odczytać wartości fotoprądu I_f odpowiadające danym odległościom pomiędzy fotokomórka, a źródłem światła.

3. Pomiary powtórzyć dla 3-5 ustalonych wartości napięcia przyspieszającego między elektrodami.

4. Sporządzić wykresy I_f= f(L).

III. Wyznaczanie charakterystyk prądowo- napięciowych fotodiody.

1. Zestawić układ według poniższego schematu:

2. Wyznaczyć charakterystyki prądowo-napięciowe fotodiody postępując

analogicznie jak w punkcie I. Wartość U nie powinna przekraczać 30 V.

IV. Wyznaczanie charakterystyk oświetleniowych fotodiody.

1. Zestawić układ pomiarowy według punktu III.

2. Dokonać pomiaru charakterystyki oświetleniowej analogicznie jak w części II (punkty 2-3).

3. Sporządzić wykresy:
   .

Przyrządy:

fotokomórka, fotodioda, zasilacz prądu stałego, zasilacz do lampy, opornica, ława optyczna, mikroamperomierz, woltomierz.

Obliczenia

Obliczenia dla charakterystyki oświetleniowej fotokomórki:

• odwrotność kwadratu odległości fotokomórki od źródła światła

• dokładność wyznaczenia wartości x (metoda pochodnej logarytmicznej)

Wyniki:

Wnioski i dyskusja błędów

Celem ćwiczenia było wykreślenie charakterystyk prądowo-napięciowych oraz oświetleniowych fotokomórki gazowanej.

Charakterystyki prądowo-napięciowe zostały wykreślone dla trzech różnych odległości fotokomórki od źródła światła. Na wykresy zostały naniesione tzw. prostokąty błędów określające dokładność, z jaką dokonano poszczególnych pomiarów. Uwzględnione tu więc zostały dokładności użytych przyrządów pomiarowych: woltomierza i mikroamperomierza. Nie zostały jednak ilościowo określone błędy, które powinny wynikać z faktu, że użyte światło nie było idealnym źródłem punktowym. Uzyskane charakterystyki, w granicach błędów, są jednak dość poprwane, co może wskazywać na fakt, że dobrane odległości fotokomórki od źródła światła, pozwalają na przybliżone uznanie je za źródło punktowe.

Charakterystyki oświetleniowe fotokomórki zostały z kolei wykreślone dla trzech różnych wartości napięcia przepuszczajęcego. Naniesione na wykresy prostokąty błędów, uwzględniają ilościowo dokładności użytych przyrządów pomiarowych: woltomierz i przymiaru metrowego oraz odległości fotokomórki od źródła światła (co wynika z metody wyznaczania tych dokładności). Idealne charakterystyki oświetleniowe fotokomórki są liniami prostymi (ze względu na wprost proporcjonalną zależność fotoprądu od natężenia padającego światła). Otrzymane w czasie doświadczenia wyniki, dają w rezultacie (w przybliżeniu) żądane charakterystyki, jednak bez rozważania pomiarów dla małych odległości fotokomórki od źródła światła, które odbiegają od prawidłowych wykresów. Można ten fakt uzasadnić tym, że dla mniejszych odlgłości używane światło jest źródłem zbyt rozciągłym, by można było pomiary uważać za dokładne. Przybliżenie tego światła jako źródła punktowego uzyskujemy (jak widać z wykresów) dla odległości większych niż 0,4 - 0,5 m.

Ze względu na brak odpowiednich przyrządów pomiarowych, tzn. dość długiej ławy optycznej oraz miernika prądu o zakresie odpowiednim do rozważanego zjawiska, nie można było dokonać pomiarów potrzebnych do wykreślenia charakterystyk prądowo-napięciowych oraz oświetleniowych fotodiody.

---