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Photoeffekt / Fotozelle

Akustik At 1.1

3. Eigenschaften und Wirkungsweise

Durch Lichteinfall auf den Kaliumbelag der Katode werden aufgrund des äußeren lichtelektrischen Effektes (Fotoeffektes) unter der Voraussetzung Elektronen freigesetzt, dass die Energie der Lichtquanten größer ist als die für das Austreten aus der Kaliumschicht benötigte Energie (Austrittsarbeit). Die maximale kinetische Energie der Fotoelektronen ist um so größer, je größer die Energie der Lichtquanten ist. Die maximale kinetische Energie W_Kin eines den Kaliumverband verlassenden Fotoelektrons ergibt sich aus der Differenz der Energie h • f des von ihm absorbierten Lichtquants und der Austrittsarbeit W_A:

     W_Kin = h • f - W_A

Die Bewegung der aus der Fotokatode austretenden Elektronen wird durch das elektrische Feld zwischen Katode und Anode bestimmt. Vor der Katode bildet sich bei nicht zu großer Saugspannung eine Raumladung aus, die verhindert, dass alle aus der Katode austretenden Elektronen direkt zur Anode gelangen.

Das Diagramm in Abb. 4 zeigt die Strom-Spannung-Kennlinienschar der Vakuumfotozelle bei monochromatischem Licht für fünf verschiedene Frequenzen im sichtbaren bzw. ultravioletten Spektralbereich. Die Kennlinien sind auf energiegleiches Spektrum bezogen. Bei genügend großer Saugspannung gelangen alle aus der Katode austretenden Elektronen direkt zur Anode, die Raumladung existiert hier nicht. Die Stromstärke ist maximal (Sättigungsstromstärke). Die Sättigungsstromstärke hängt, wenn man sie auf ein Spektrum konstanter Energieverteilung bezieht, von der Frequenz bzw. der Wellenlänge des einfallenden Lichtes ab. Dieser Sachverhalt ist auf die unterschiedliche spektrale Empfindlichkeit des Katodenmaterials (definiert als Quotient Fotostrom bei maximaler Betriebsspannung durch Strahlungsfluss) zurückzuführen. Setzt man die Sättigungsstromstärke im Empfindlichkeitsmaximum bei einer Wellenlänge von 368 nm zu 100 % an, so ergibt sich die in Abb. 5 dargestellte Abhängigkeit zwischen der relativen spektralen Empfindlichkeit εr und der Wellenlänge λ. Achtung: Die sich bei Verwendung einer bestimmten Lichtquelle ergebende spektrale Verteilung der Sättigungsstromstärken entspricht nicht dem in Abb. 5 (siehe Anhang) angegebenen Diagramm, weil die spektrale Energieverteilung i.a. nicht konstant ist, sondern von der Art der Lichtquelle abhängt! Die Verteilung der von einer Lichtquelle erzeugten Sättigungsstromstärken gewinnt man aus den Produkten von spektraler Energiedichte und spektraler Empfindlichkeit. Wenn das elektrische Potential der Anode gegenüber der Katode negativ ist (Spannung U), können nur noch diejenigen Fotoelektroden zur Anode gelangen, deren kinetische Energie mindestens gleich der zur überwindung des Potentialunterschiedes erforderlichen elektrischen Arbeit e • U ist. Je größer die Gegenspannung ist, um so weniger Elektronen besitzen die zur überwindung des Potentialunterschiedes notwendige kinetische Energie. Die Grenzgegenspannung UG, bei der überhaupt noch einzelne Elektronen zur Anode gelangen können, ist durch die maximale Energie gegeben, die ein Fotoelektron besitzen kann. In diesem Falle gilt die Energiebilanz      e • UG = h • f - WA Die Diagramme in Abb. 6a und 6b zeigen die Strom-Spannung-Kennlinienschar für negative Anodenspannungen in Abhängigkeit von der Frequenz des einfallenden Lichtes bei energiekonstantem Spektrum. Der Zusammenhang zwischen der Grenzspannung und der Frequenz f ist in Abb. 7 dargestellt. Die Abhängigkeit ist, wie die Energiebilanz aufzeigt, linear. Der für die Steigung der Geraden zu erwartende Wert beträgt

Abb. 4 Abb. 5

     

Die vom jeweiligen Exemplar und von der Vorbehandlung der Fotozelle (siehe vorherige Seite, Manüpunke 4) abhängige Abweichungen von dieser Steigung können bei 5 % liegen.

↑Abb. 6b      ←Abb. 6a

Abb. 7