DSCF6656

268

2. Jak mógłby wyglądać zestaw doświadczalny przeznaczony do obserwacji próbki prostopadle do kierunku pola magnetycznego?

0-8. Badanie fotokomórki próżniowej [43/

1. Wstęp

R. Hertz przeprowadzając doświadczenia z falami elektromagnetycznymi (1877) zauważył, że iskra pomiędzy elektrodami detektora fal pojawia się częściej w przypadku oświetlenia elektrod promieniowaniem ultrafioletowym. Była to pierwsza zarejestrowana obserwacja efektu fotoelcktrycznego. W ciągu kilkunastu lat po odkryciu Hertza zebrano wiele informacji dotyczących nowego zjawiska: najważniejsze spośród nich wymienione są poniżej:

-    metale emitują pod wpływem światła cząstki ujemne (Hallwachs, 1889);

-    natężenie prądu wytworzonego przez te cząstki (fotoprądu) jest proporcjonalne do natężenia światła (Elster, Geitel, 1891):

-    cząstki emitowane są elektronami (Lenard, Thomson, 1899);

-    energia kinetyczna elektronów jest niezależna od natężenia światła (Lenard, 1902);

-    energia ta jest tym większa im mniejsza jest długość fali światła padającego. Emisja nie występuje w ogóle, jeśli długość fali przewyższa pewną wartość „progową” (Lenard, 1902);

-    emisja następuje w ciągu bardzo krótkiego czasu po oświetleniu powierzchni. Późniejsze pomiary wykazały, że jest to czas ok. 3 ns = 3!^: 10“⁹s (Meyer, Gerlach, 1914).

Trzy ostatnie obserwacje były niewytłumaczalne na gruncie klasycznej teorii światła. Rozwiązanie znalazł Einstein (1905) zakładając, że energia świetlna absorbowana jest przez elektrony w postaci porcji (kwantów świetlnych-fotonów) o wielkości hv, gdzie h jest znaną od 1900 r. stałą działania Plancka, a v = c/A oznacza częstość światła padającego. Jeśli przez W oznaczyć minimalną energię, którą elektron musi zużyć na uwolnienie się z metalu, jego energia kinetyczna po opuszczeniu metalu wyrazi się wzorem:

jest tutaj maksymalną energią, jaką mogą mieć elektrony wyzwolone i metalu przez promieniowanie o częstości v. Te, które były silniej związane albo uległy zderzeniom w procesie emisji, mają energię mniejszą od E_t.

Tak więc obok klasycznej teorii falowej światła, tłumaczącej takie zjawiska jest interferencja i polaryzacja, pojawiła się teoria korpuskularna, traktująca światło jak strumień fotonów poruszających się z prędkością c (w próżni). Teoria ta objaśniła fotoefekt oraz odkryte w 1921 r. zjawisko rozpraszania promieniowania rentgenowskiego i y na elektronach (efekt Comptona); w procesie tym promieniowanie zachowywało się jak strumień cząstek. Właśnie efekt Comptona (a nie fotoefekt, jak się czasem uważa) był pierwszym niedwuznacznym przejawem korpuskularnego charakteru promieniowania elektromagnetycznego¹.

2. Lampy fotodektronowe (fotokomórki)

Najprostszą lampą fotoelektronową jest fotodioda próżniowa, składająca się z fotoczułej katody i anody, zbierającej emitowane przez katodę elektrony. Pomiędzy prądem emisyjnym fotokatody i mocą P_; padającego promieniowania istnieje liniowy związek:

=    O)

gdzie w_x nazywa się charakterystyką widmową fotokatody. Prąd I_a przepływający przez lampę oświetloną stałym strumieniem jest zależny od

Rys. 103. Charakterystyki statyczne fotodiody próżniowej (linia ciągła) i gazowanej (linia przerywana) dla różnych strumieni światła monochromatycznego

1

Fotoefekt świadczył „przeciw” teorii falowej, a efekt Comptona „za" teorią korpus-kulamą.