Fotozelle

Eine Fotozelle bzw. Photozelle ist ein Strahlungsdetektor. Sie ähnelt einer Elektronenröhre insofern, als sich auch hier in einer evakuierten Glaszelle eine Anode und eine Kathode (Fotokathode) befinden.

Die Fotokathode besteht aus einem Metall (z.B. Caesium), aus dem durch Licht Elektronen freigesetzt werden können (Photoelektrischer Effekt).

Ist zwischen Anode (+) und Kathode (-) eine Spannung angelegt, so werden die vom Licht freigesetzten Elektronen zur Anode hin beschleunigt, ein elektrischer Strom (Fotostrom) kann gemessen werden. Ist die angelegte Spannung klein, so ist der Fotostrom proportional zur angelegten Spannung, der Proportionalitätsfaktor hängt von der Belichtungsintensität ab. Dieser Fotostrom geht bei höheren Spannungen in eine Sättigung über, d.h. der Strom steigt bei weiterer Erhöhung der angelegten Spannung nicht weiter an. Dies liegt daran, dass bei geringen Spannungen die elektrische Feldstärke nicht ausreicht, um alle durch den Fotoeffekt an der Kathode entstandenen Elektronen in Richtung Anode zu beschleunigen und damit zum Fotostrom beitragen zu lassen. Allerdings können natürlich nicht mehr Elektronen zwischen Kathode und Anode fliessen als durch das Licht freigesetzt werden, weshalb die Sättigung auftritt.

Als weiteren Effekt bildet sich zwischen Anode und Kathode bei Belichtung eine Spannung aus, wenn keine Spannungsquelle mit der Fotozelle verbunden ist. Diese Spannung ist proportional zur Frequenz des eingestrahlten Lichts und kann zur Ermittlung des Planck'schen Wirkungsquantums genutzt werden. Die Spannung bildet sich hier aus, weil das Licht (genügend hohe Frequenz und damit Energie vorausgesetzt) Elektronen aus der Fotokathode herausschlägt. Diese Elektronen besitzen eine Energie die der Differenz zwischen Lichtenergie und Ablösearbeit des Elektrons aus dem Metall entspricht. Die freien Elektronen treffen (teilweise) auch auf die Anode und laden sie negativ auf. Dadurch bildet sich eine elektrische Spannung zwischen den Elektroden aus. Weitere Elektronen müssen nun das sich ausbildende elektrische Feld durchlaufen, um auf die Anode aufzutreffen, wozu sie Energie benötigen. Schliesslich ist die Spannung so groß, dass die Energie der neu herausgelösten Elektronen nicht mehr ausreicht, die Platte zu erreichen, die Spannung bleibt konstant.

Mit einer Fotozelle kann die Ionisierungsenergie von Gasen gemessen werden.



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