Charakteristiky fotonek
Rozlišujeme dva druhy fotoefektu: fotoefekt vnitřní a vnější. Při vnitřním fotoefektu dochází v látce vlivem dopadajícího elektromagnetického záření k uvolnění nositelů elektrického proudu, které zůstávají uvnitř látky. Vnitřního fotoelektrického jevu se využívá u polovodičových fotonek hradlových a odporových. V případě vnějšího fotoefektu čili fotoemise dochází k emisi elektronů z povrchu elektrody, na kterou dopadá elektromagnetické záření. Na vnějším fotoefektu je založena činnost vakuových a plynových fotonek. V této úloze se zabýváme výhradně vnějším fotoefektem.
Vakuové nebo plynové fotonky mohou být provedeny jako skleněná baňka, v níž je umístěna anoda, např. ve formě drátěné smyčky. Baňka je vyčerpána na vysoké vakuum a v případě plynové fotonky naplněna vhodným inertním plynem (např. argonem pod tlakem okolo 10 kPa). Vnitřní povrch baňky je postříbřen (s výjimkou okénka pro vstup světla) a na stříbrném podkladě proti vstupnímu okénku je nanesena fotokatoda. Pro dosažení větší citlivosti se zpravidla používá fotokatod se složitější strukturou, které se připravují vhodnými technologickými postupy a obsahují např. prvky Cs, Ag nebo Sb, jejich kysličníky a jiné.
Má-li anoda vůči katodě kladné napětí U, protéká fotonkou při osvětlení katody proud I. Budeme se zabývat nejprve vakuovými fotonkami. V tom případě závisí proud I na napětí U podobně jako u diody se žhavenou katodu: při malých napětích je proud omezován prostorovým nábojem a roste s rostoucím napětím U, při vyšších napětích dostáváme oblast nasyceného proudu, kde se proud s rostoucím napětím téměř nemění. Na obr.1 jsou plnou čarou vyneseny tyto závislosti - voltampérové charakteristiky - pro dvě hodnoty 1, 2 světelného toku ( dopadajícího na fotokatodu (Fi1 < Fi2). Kromě těchto charakteristik jsou ke znázornění vlastnosti fotonky užívány rovněž charakteristiky lumenampérové - závislosti proudu I na světelném toku při konstantním napětí U či charakteristiky luxampérové - závislosti proudu I na osvětlení fotokatody. Směrnice lumenampérové charakteristiky udává tzv. integrální citlivost:
![]() |
(1) |
![]() Obr. 1 |
U plynem plněných fotonek je průběh voltampérových charakteristik při nízkých napětích kvalitativně stejný, při vyšších napětích však dochází k dalšímu růstu proudu fotonky (viz čárkované charakteristiky na obr.1). Vzrůst je způsoben lavinovitou ionizací. Elektrony emitované z fotokatody ionizují na své dráze molekuly plynu a vytvoří tak určitý počet iontových párů. Elektrony vzniklé ionisací mohou dále samy ionisovat, atd., takže proud fotonkou může být mnohonásobkem emisního proudu fotokatody. Citlivost K je pak podstatně větší než u vakuových fotonek, je však silně závislá na anodovém napětí. Plynem plněné fotonky nejsou proto vhodné pro měrná použití. Jejich další nevýhodou je značná setrvačnost; jsou schopny zaznamenat světelné změny s frekvencí nejvýše několika kHz.
Voltampérové charakteristiky měříme v zapojení dle obr.2. Proud fotonky měříme galvanometrem G. Pokud mezi krytem a elektrodami fotonky vznikají rušivé svodové proudy, propojíme otickou lavici se záporným pólem zdroje. Záporný pól zdroje má být uzemněn.
Určení Planckovy konstanty z fotoefektu
Toto stanovení Planckovy konstanty h je založeno na Einsteinově vztahu
![]() |
(2) |
Hodnotu Ek lze stanovit, proměříme-li závislost proudu fotonky při záporných napětích anody vůči katodě (U < 0); napětí na fotonce v závěrném směru označíme V = -U. Rozdíl hodnot potenciálu elektrického pole mezi katodou a anodou je dán součtem V+K, V je napětí a K je tzv. kontaktní potenciál mezi katodou a anodou. Je-li V+K >0, brzdí elektrické pole pohyb elektronů, takže pouze elektrony s kinetickou energií větší než e(V+K) dopadnou na anodu (e je absolutní hodnota náboje elektronu). Se zvětšováním závěrného napětí V proud klesá k nule. Pro napětí větší než kritická hodnota V0 daná vztahem
![]() |
(3) |
![]() |
(4) |
Obvod pro měření voltampérových charakteristik v závěrném směru je stejný jako na obr.2, jen anoda bude připojena k zápornému pólu zdroje, katoda ke kladnému pólu zdroje. (Nezapomeňte prohodit přívody ke stejnosměrnému voltmetru!)
![]() Obr. 2 |
![]() Obr. 3 |
Poznámka:
V popsaném uspořádání lze určit Planckovu konstantu v nejlepším případě s přesností několika procent. Nepřesnost je dána především neostrostí zlomu voltampérové charakteristiky, což vede k nepřesnému určení kritického napětí V0. Neostrost zlomu může být způsobena několika příčinami:
V původním měření Millikanově [14] bylo použito fotokatod z čistého kovu - Na, Li - a vhodné konfigurace elektrod. Tím bylo dosaženo přesnějších výsledků.
![]() ![]() ![]() |
![]() |
Vojtěch Hanzal |
| Tomáš Drbohlav, 29. 10. 2002 |