Vogel: Análise Química Quantitativa
17.5 Método do fotômetro fotoelétrico
Colorímetros fotoelétricos (absorciômetros)
O uso de células fotoelétricas para medir a intensidade da luz, eliminando, desta forma, os erros devidos às características pessoais do observador, foi um dos grandes avanços no desenho dos colorímetros. A célula fotovoltaica, ou célula de barreira, na qual a luz que atinge a superfície de um material condutor, como o selênio, montado sobre uma base apropriada (usualmente ferro), produz uma corrente elétrica cuja grandeza depende da intensidade da luz incidente, foi muito usada nos absorciômetros. Este arranjo tem, porém, dois defeitos: (1) é difícil amplificar a corrente gerada pela célula, o que significa que o detector é pouco sensível quando a luz incidente é pouco intensa, e (2) a fadiga da célula. Por estas razões, prefere-se usar hoje em dia fotomultiplicadoras e detectores de diodo de silício.
Células fotoemissivas
Em sua forma mais simples, a célula fotoemissiva (também chamada fototubo) é um bulbo de vidro com a superfície interna coberta com uma camada delgada de um material sensível à luz (isto é, um material que emite elétrons quando iluminado) como, por exemplo, óxido de césio ou de potássio e óxido de prata. Uma parte da superfície do bulbo permite a passagem da luz. A camada fotossensível é o catodo. Um anel de metal colocado nas proximidades do centro do bulbo é o anodo, que é mantido em uma voltagem elevada por uma bateria. O interior do tubo é mantido sob vácuo ou, às vezes, está cheio de um gás inerte em baixa pressão (argônio a 0,2 mm Hg, por exemplo). Quando a luz penetra no interior do bulbo e atinge a camada sensível, ocorre emissão de elétrons que provocam uma corrente elétrica em um circuito externo. A corrente pode ser amplificada eletronicamente e sua intensidade é uma medida da intensidade da luz que atinge a superfície fotossensível. Posto de outra forma, a emissão dos elétrons leva a uma queda de potencial em um resistor de resistência alta (R) em série com a célula e a bateria. A queda de potencial pode ser medida por um potenciômetro adequado (M) e é relacionada à quantidade de luz que
atinge o catodo. A Fig. 17.2 descreve esquematicamente o funcionamento da célula fotoemissiva.
A sensibilidade de uma célula fotoemissiva (fototubo) pode ser aumentada com uma
alteração do desenho, o chamado tubo fotomultiplicador (fotomultiplicadora). Este dispositivo é um eletrodo coberto com um material fotoemissivo e uma série de placas com carga positiva, os fotodinodos, que estão, sucessivamente, em potencial crescente. As placas estão recobertas com um material que emite entre dois e cinco elétrons para cada elétron que atinge sua superfície. Quando os elétrons atingem a primeira placa, produz-se um número de elétrons secundários bem maior do que o dos elétrons originais. O resultado, após um certo número de placas, é que se obtém uma amplificação muito alta (até 10 6) da corrente gerada pela célula. A saída da fotomultiplicadora está limitada a alguns miliampères e, por isso, só se pode operar a célula com radiação incidente de baixa intensidade. Em comparação com uma célula fotoelétrica comum e seu amplificador, as fotomultiplicadoras são cerca de 200 vezes mais sensíveis. Elas respondem normalmente à radiação de comprimento de onda entre 200 e 650 nm ou entre 600 e 1000 nm. Para cobrir a faixa completa do espectro, um instrumento deve, portanto, ter duas fotocélulas: uma “vermelha” (600–800 nm) e uma “azul” (200–600 nm).
Fig. 17.2 Célula fotoemissiva
O detector de diodo de silício (fotodiodo) tem uma camada de silício do tipo p
depositada sobre uma pastilha de silício (chip) do tipo n. Quando se aplica um potencial de polarização, com a pastilha de silício ligada ao pólo positivo da fonte, elétrons e buracos se afastam da junção p–n. Cria-se, assim, uma região vazia nas vizinhanças da junção que funciona efetivamente como um capacitor. Quando a luz atinge a superfície da pastilha, cria elétrons livres e buracos que migram para descarregar o capacitor e a grandeza da corrente resultante é uma medida da intensidade da luz. A sensibilidade de detectores deste tipo é superior a de um fototubo, mas é menor do que a das fotomultiplicadoras. A tecnologia moderna permite colocar um grande número de fotodiodos na superfície de uma única pastilha. Esta pastilha também contém um circuito integrado que pode varrer cada fotodiodo sucessivamente e transmitir o sinal a um microprocessador. Cada fotodiodo pode ser programado para responder a uma certa faixa estreita de comprimentos de onda e o espectro completo pode ser varrido em um tempo extremamente curto [7]. Este tipo de detector é conhecido como conjunto de diodos (diode array).