Немецкие ученые решили одну из загадок фотоэлектрического эффекта
Когда свет попадает на материал, из него высвобождаются электроны, - таким образом рождается фотоэлектрический эффект.
Хотя этот эффект сыграл большую роль в развитии квантовой теории, он до сих пор хранит ряд тайн: До сих пор не было ясно, как быстро высвобождаются электроны после поглощения фотона.
Йонас Рист, аспирант, работающий в международной команде исследователей в Институте ядерной физики Франкфуртского университета имени Гете, смог найти ответ на эту загадку: эмиссия происходит молниеносно, всего за несколько аттосекунд - за миллиардные доли миллиардных долей секунды.
100 лет назад Альберт Эйнштейн был удостоен Нобелевской премии по физике за работу над фотоэлектрическим эффектом. Жюри еще не совсем понимало его революционную теорию относительности, но Эйнштейн уже провел новаторскую работу по изучению фотоэлектрического эффекта.
С помощью своего анализа он продемонстрировал, что свет состоит из отдельных пакетов энергии - так называемых фотонов. Это стало решающим подтверждением гипотезы Макса Планка о том, что свет состоит из квантов, и проложило путь к современной квантовой теории.
Хотя фотоэлектрический эффект в молекулах был изучен достаточно широко, до сих пор не удалось определить его эволюцию во времени в ходе экспериментальных измерений. Сколько времени должно пройти после попадания кванта света в молекулу, чтобы электрон сместился в определенном направлении?
"Продолжительность времени между поглощением фотона и испусканием электрона очень трудно измерить, потому что это всего лишь несколько аттосекунд, - поясняет Тилль Янке, научный руководитель Йонаса Риста. - Это соответствует всего нескольким световым колебаниям". "
До сих пор было невозможно измерить такой промежуток времени напрямую, поэтому сейчас ученые нашли косвенный способ подтверждения. Для этого физики использовали микроскоп COLTRIMS - измерительный прибор, с помощью которого можно изучать отдельные атомы и молекулы.
Исследователи обстреливали образец монооксида углерода чрезвычайно интенсивным рентгеновским светом, генерируемым источником синхротронного излучения BESSY II Берлинского центра имени Гельмгольца.
Молекула монооксида углерода состоит из одного атома кислорода и одного атома углерода. Используемый рентгеновский луч имел ровно столько энергии, чтобы выбить один электрон из внутренней оболочки атома углерода.
В результате молекула распадалась на фрагменты. Затем были измерены атомы кислорода и углерода, а также высвободившийся электрон.
"И здесь в игру вступает квантовая физика", - объясняет Рист. - Испускание электронов происходит не симметрично во всех направлениях".
Поскольку молекулы угарного газа имеют непостоянную ось, выброшенные электроны, пока они находятся в непосредственной близости от молекулы, все еще находятся под воздействием ее электростатических полей. Высвобождение задерживается - в разной степени, в зависимости от направления, в котором двигаются электроны.
Поскольку, в соответствии с законами квантовой физики, электроны не только частицы, но и волны, проявляется интерференционная картина на детекторе.
"На основе этих интерференционных эффектов, которые мы смогли измерить с помощью реакционного микроскопа, длительность задержки может быть определена косвенно с очень высокой точностью, даже если временной интервал невероятно мал, - говорит Рист. - Однако для этого нам пришлось воспользоваться несколькими уловками, которые предлагает квантовая физика".
С одной стороны, измерения показали, что для испускания электрона действительно требуется всего несколько десятков аттосекунд. С другой стороны, такой промежуток времени очень сильно зависит от направления, в котором электрон покидает молекулу, а время испускания коррелирует со скоростью электрона.
Проведенные измерения интересны не только для фундаментальных исследований в области физики. Модели, которые используются для описания такого типа динамики электронов, также актуальны для многих химических процессов, где электроны не высвобождаются полностью, а передаются, например, соседним молекулам и вызывают там дальнейшие реакции.
"В будущем такие эксперименты также могут помочь лучше понять динамику химических реакций", - надеется Янке.
