34 Karczewski.doc

Zastosowanie Fotokomórki Do Pomiarów Fotometrycznych

Wstęp teoretyczny

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

              Ich energia kinetyczna dana jest równaniem Einsteina:

równanie (1)

gdzie: L – praca potrzebna do wydobycia elektronu z metalu (praca wyjścia)

Energia ta, zależna liniowo od częstości n padającego promieniowania nie zależy od jego natężenia. Ilość elektronów emitowana w sekundzie przez oświetloną katodę jest wprost proporcjonalna do natężenia padającego promieniowania. Jeżeli między anodę i katodę włączymy stałe napięcie przez obwód popłynie prąd o natężeniu wskazanym przez galwanometr. natężenie tego prądu jest dla fotokomórek próżniowych bardzo słabe (rzędu 1mA), zależy ono od częstotliwości i natężenia promieniowania, rodzaju warstwy fotoczułej przyłożonego napięcia.

              Prądy płynące przez fotokomórki gazowe są sil-niejsze dzięki „wzmocnieniu wewnętrznemu”, elektrony przyspieszone polem elek-trycznym między anodą i katodą rozpędzają się, zyskując energię kinetyczną, dostarczoną do jonizacji przez „zderzenie”. Wytwa-rzają one lawinę nowych jonów.

Zjawisko fotoelektryczne wykryte zostało prze H. Hertza przy doświadczeniach nad wywoływaniem 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 rozładowania ciała naładowanego dodatnie.

Jeśli skierujemy silny strumień światła nadfioletowego na ciało nienaelektryzowane, to ładuje się ona 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). Kwant światła padający na powierzchnię metalu (według Einsteina) zostaje w całości pochłonięty, jego energia zaś zostaje zużyta na :

·         wykonanie pracy wyjścia

·         nadanie elektronowi prędkości

Jeżeli naświetla się powierzchnie metalu promieniowaniem o coraz dłuższej fali, czyli o coraz mniejszej częstości, wtedy dochodzi się wreszcie do takiej częstości n0, przy której energia kwantu będzie dokładnie równa pracy wyjścia  hn0 = W. Przy jeszcze mniejszej częstości fotoelektrony nie będą w ogóle emitowane.

Doświadczenia stwierdzają, że zjawisko fotoelektryczne jest wywołane jedynie przez promieniowanie o częstości większej od pewnej częstości granicznej P0, czyli o fali krótszej od pewnej fali granicznej l0 zwanej progiem fotoelektrycznym.

Ze względu na trudności wyodrębnienia z całkowitej energii promieniowania energii przypadającej na światło widzialne, które w dodatku jest mieszaniną fal różnej długości, na które oko różnie reaguje. Zrezygnowano z przyjęcia strumienia światła jako wielkości podstawowej. Za wielkość podstawową przyjęto jasność powierzchni B, którą możemy ocenić okiem. Jako podstawową jednostkę jasności przyjęto jeden stilb.

I = B ds – nazywamy natężeniem źródła światła w kierunku normalnym do jego powierzchni albo światłością. gdy B = 1 stilb, ds = 1cm2 wówczas natężenie źródła światła w kierunku normalnym do powierzchni I = 1. Jednostkę tę nazwano kandelą. (Źródło światła ma w danym kierunku światłość 1 kandeli na każdy cm2, gdy jego jasność jest 1 stilb)

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 dno 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 : df = I dw, gdy   I = 1 kandela, dw = 1 srd, to df = 1. Jednostkę tę nazwano lumen (punkt świecący mający światłość jednej kandeli wysyła w kąt 1 srd strumień światła równy 1 lumen)

gdzie: df - strumień światła padający na element dS normalnie.

Natężenie oświetlenia definiuje się w taki sam sposób, jak natężenie oświetlenia energetycznego

Jeżeli df jest proporcjonalne do dS, to możemy napisać

Gdy na powierzchnię S = 1 m2 pada strumień światła f = 1 lm, wówczas natężenie oświetlenia powierzchni kulistej o promieniu 1m, w środku której znajduje się punktowe źródło o światłości 1 kandeli we wszystkich kierunkach).