Наблюдение поглощения отдельных фотонов в фотоэлектронном умножителе

Фотоэлектронный умножитель (фотоумножитель, ФЭУ) — это прибор для регистрации электромагнитного излучения и измерения его интенсивности, основанный на многократном эффекте вторичной эмиссии. Схема фотоумножителя с металлическими электродами изображена на рисунке ниже.

Если ФЭУ предназначен для обнаружения фотонов или других частиц высоких энергий, то перед ним обычно ставят сцинтиллятор, в вещество которого, поглощая быстрые частицы, излучает кванты видимого света, которые далее попадают на фотокатод, выполненный из вещества с малой работой выхода (см. Фотоэффект). В результате фотоэлектрического возбуждения атомов фотокатода с него начинается электронная эмиссия. Электроды ускоряются в потенциале между катодом и фокусирующим электродом, в котором проделано отверстие. Далее ускоренные электроны попадают на изогнутый электрод — динод — который обладает коэффициентом вторичной эмиссии больше единицы: один разогнанный электрон выбивает из динода более одного вторичного электрона. Эти электроны, в свою очередь, разгоняются в поле между первым и вторым динодом и возбуждают последний. В результате в пространстве между последовательностью динодов возникает электронная лавина, усиливаемая вторичной электронной эмиссией. Наконец, от последнего динода электронный пучок попадает на анод, наличие тока с которого и говорит о возбуждении фотокатода. Между соседними динодами поддерживается достаточно большое напряжение, достаточное, чтобы разогнать электрон — порядка нескольких сотен вольт. При этом суммарное напряжение между катодом и анодом составляет до нескольких киловольт.

Работа первого фотоэлектронного умножителя была продемонстрирована американской компанией RCA Group; авторами первой работающей модели были Харли Йамс и Бернард Зальцберг. В этом первом приборе был всего один динод. Интересно, что разработке фотоумножителей придавала стимул необходимость создания приемных электронно-лучевых трубок высокого разрешения, которые можно было бы использовать в телевидении.

Фотоумножитель замечателен тем, что с его помощью можно исследовать свет предельно малых интенсивностей. Пусть на фотокатод площади падает свет монохроматический свет интенсивности с частотой выше красной границы фотоэффекта. В этом случае в единицу времени на катод падает в среднем

фотонов. Оказывается, что даже когда это число существенно меньше единицы, фотоумножитель показывает редкие и случайные всплески анодного тока, говорящие о возбуждении катода электромагнитным излучением. Более того, среднее число этих всплесков оказывается равным , что говорит о поглощении света порциями по . При классическом рассмотрении электроны фотокатода должны возбуждаться электрическим полем падающей волны, амплитуда которого связана с интенсивностью света выражением:

Гармонически изменяющаяся во времени внешняя сила , действующая на атомный осциллятор, в рассматриваемом случае сверхмалой интенсивности света оказывается столь ничтожной, что никаким образом не может передаться вылетающему из фотокатода электрону. Никаких механизмов аккумуляции работы, совершенной этой силой, внутри фотокатода для последующей передачи энергии фотоэлектрону, как показывают эксперименты, нет. Поэтому в классике в пределе сверхмалых интенсивностей падающего излучения фотоумножитель вообще не должен возбуждаться. Более того, благодаря тому, что свет сколь угодно малой интенсивности поглощается редко, но конечными порциями по , светочувствительные матрицы орбитального телескопа «Хаббл», как ФЭУ, могут работать в режиме счета фотонов. В этом режиме телескоп фокусируется на одну точку на небесной сфере и ставится на выдержку порядка месяца, оставаясь все время направленным на эту область неба. При этом некоторые пиксели матрицы иногда возбуждаются приходящими фотонами. Система автоматизации, встроенная в телескоп, просто считает число возбуждений за месяц — и в результате вырисовывается фотография исследуемого кусочка небесной сферы. Как ни странно, возможность таких наблюдений обеспечивается квантовой структурой света.

Не стоит думать, что энергия электромагнитной волны распространяется сгустками, некоторыми корпускулами (или цугами волн), имеющими пространственную локализацию. Это наглядно показывает опыт Юнга, в котором фотоны дают интерференцию на двух щелях даже в режиме, когда на щель падают отдельные фотоны. С другой стороны, если считать электромагнитную энергию равномерно распределенной по длине луча, падающего на ФЭУ, получается, что в момент возбуждения фотокатода энергия концентрируется в его объеме — однако эта энергия содержится в отрезке луча длиной

Здесь  — плотность электромагнитной энергии волны. Таким образом, в режиме отдельных фотонов энергия распространяется существенно быстрее света! Откуда же взялось такое противоречие?

Причина данного противоречия — в классическом восприятии понятия «фотон». Фотон не есть ньютоновская корпускула — пространственно-локализованная частица света. Пространственная локализация фотонов и конечная их энергия, равная , проявляется только в процессах излучения/поглощения света, которые являются случайными. Более того, фотон является не субстанцией (существительным), а процессом (глаголом): он является мостом, соединяющим два квантовых состояния электромагнитного поля, отличающиеся друг от друга энергией , импульсом и моментом (у фотона есть ненулевой спиновый момент). Поэтому слово «фотон» непротиворечиво можно отнести только к процессам его излучения и поглощения. В плоской волне фотоны равномерно распределены во всем пространстве, поэтому, согласно квантовой механике, их поглощение во всех точках равновероятно. Проблемы с мгновенным переносом энергии при процессах поглощения фотонов также исчезают при последовательном построении теории квантованного электромагнитного поля.

<<К предыдущему эксперименту  |  Квантовая теория  |  К следующему эксперименту>>