Στο άρθρο αυτό παρουσιάζουμε μια διάταξη επίδειξης του φωτοηλεκτρικού φαινομένου, με χρήση κυρίως απλών υλικών και υλικών του σχολικού εργαστηρίου.
Υλικά που θα χρειαστούν:
- Τροφοδοτικό εργαστηρίου
- Πολύμετρο
- Διακόπτες
- Καλώδια σύνδεσης
- Ένα μικρό κομμάτι γαλβανισμένης (επιψευδαργυρωμένης) λαμαρίνας.
- Ένα μικρό κομμάτι χονδρού χάλκινου σύρματος.
- Μια λάμπα UVC την οποία μπορούμε να προμηθευτούμε από το εμπόριο με πολύ μικρό κόστος.
Κατασκευή της “φωτοδιόδου”
- Κόβουμε ένα κομμάτι λαμαρίνας (κάθοδος) διαστάσεων 7×7 cm περίπου. Το λυγίζουμε σχηματίζοντας τμήμα κυλινδρικής επιφάνειας και σε κάποιο σημείο της κολλάμε αγώγιμα ένα καλώδιο σύνδεσης.
- Σε ένα κομμάτι από φελιζόλ πάχους 5cm δημιουργούμε μια εγκοπή στην οποία να μπορεί να στερεωθεί η μια καμπυλωμένη πλευρά της λαμαρίνας όπως φαίνεται στο σχήμα.
- Κόβουμε ένα κομμάτι από το χάλκινο σύρμα (άνοδος) μήκους περίπου 15 cm, το διαμορφώνουμε σε ορθογώνιο παραλληλόγραμμο 4×3 cm περίπου, αφήνοντας μια προεξοχή περίπου 2 cm σε σημείο της μίας μικρής πλευράς για να μπορεί να στηριχτεί στο φελιζόλ. Κολλάμε αγώγιμα ένα καλώδιο σύνδεσης και το στερεώνουμε μπροστά από την κάθοδο, όπως φαίνεται στο σχήμα.
- Μετά το χάλκινο πλαίσιο τοποθετούμε την λάμπα UVC ώστε να στέλνει την ακτινοβολία στην κάθοδο, διαμέσου του ορθογωνίου της ανόδου.
Δημιουργία του κυκλώματος ανόδου καθόδου
- Συνδέουμε την άνοδο (χάλκινο σύρμα) με τον θετικό πόλο της πηγής (τροφοδοτικό) παρεμβάλλοντας σε σειρά μια αντίσταση 1ΜΩ και την κάθοδο (γαλβανιζέ λαμαρίνα) με τον αρνητικό πόλο της πηγής.
- Συνδέουμε την λάμπα UVC με την κατάλληλη τροφοδοσία της, μέσω ενός διακόπτη. Στην περίπτωσή μας η λάμπα τροφοδοτείται από μια μπαταρία 3,7 Volt.
Η λάμπα UVC που χρησιμοποιούμε εκπέμπει ακτινοβολία μήκους κύματος 265-285 nm. Άρα η ενέργεια των φωτονίων είναι περίπου 4,5eV. Το έργο εξαγωγής του Zn είναι περίπου 3,7eV, επομένως μπορούμε να έχουμε εξαγωγή φωτοηλεκτρονίων από την κάθοδο.
Είναι πολύ σημαντικό να τρίψουμε την επιφάνεια της λαμαρίνας με ατσαλόμαλλο ή γυαλόχαρτο και να την σκουπίσουμε σχολαστικά, πριν την πραγματοποίηση του πειράματος.
Εφαρμόζοντας μια σχετικά υψηλή τάση μεταξύ ανόδου καθόδου, παρατηρούμε ένδειξη στο πολύμετρο (μιλιβολτόμετρο) η οποία υποδηλώνει μια μικρή ένταση ρεύματος της τάξεως μερικών nA. Αυτό οφείλεται στην πολύ μικρή αγωγιμότητα του περιβάλλοντος αέρα καθώς και του υλικού στήριξης ανόδου και καθόδου. Κλείνοντας το διακόπτη του κυκλώματος της λάμπας UVC παρατηρούμε εντυπωσιακή αύξηση του φωτορεύματος γεγονός που οφείλεται στην έξοδο φωτοηλεκτρονίων από την κάθοδο.
Το αποτέλεσμα είναι πολύ εντονότερο αν η διάταξη βρίσκεται υπό χαμηλή πίεση αφαιρώντας όσο το δυνατόν περισσότερο αέρα. Στο πείραμα που μπορείτε να δείτε στο παρακάτω βίντεο το “φωτοκύτταρο” βρίσκεται σε κώδωνα κενού σε πίεση μικρότερη από 10 mbar.