Измерение фотоэлектрического эффекта Эйнштейна: время, необходимое для высвобождения электрона
Когда свет попадает на материал, электроны могут высвобождаться из этого материала — фотоэлектрический эффект. Хотя этот эффект сыграл важную роль в развитии квантовой теории, он до сих пор хранит ряд секретов:
На сегодняшний день не было ясно, как быстро электрон высвобождается после поглощения фотона. Йонас Рист, аспирант, работающий в международной группе исследователей из Института ядерной физики при Университете Гете во Франкфурте, теперь смог найти ответ на эту загадку с помощью реакционного микроскопа COLTRIMS, который был разработан во Франкфурте: излучение происходит молниеносно, а именно всего за несколько аттосекунд — в пределах миллиардной доли миллиардных долей секунды.
Сто лет назад Альберт Эйнштейн был удостоен Нобелевской премии по физике за свою работу над фотоэлектрическим эффектом. Жюри еще не по-настоящему поняло его революционную теорию относительности, но Эйнштейн также провел новаторскую работу над фотоэлектрическим эффектом.
Своим анализом он смог продемонстрировать, 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 для современной квантовой теории.
Хотя фотоэлектрический эффект в молекулах был широко изучен в то же время, еще не удалось определить его эволюцию с течением времени в экспериментальном измерении. Сколько времени требуется после того, как световой квант ударился о молекулу, чтобы электрон сместился в определенном направлении?
«Промежуток времени между поглощением фотонов и излучением электронов очень трудно измерить, потому что это всего лишь вопрос аттосекунд», — объясняет Тилль Янке, доктор философии-научный руководитель Jonas Rist. Это соответствует всего лишь нескольким световым колебаниям.
«До сих пор было невозможно измерить эту продолжительность напрямую, поэтому мы теперь определили ее косвенно». С этой целью ученые использовали реакционный микроскоп COLTRIMS — измерительное устройство, с помощью которого отдельные атомы и молекулы могут быть изучены в невероятных деталях.
Исследователи выпустили чрезвычайно интенсивный рентгеновский свет, генерируемый источником синхротронного излучения BESSY II из Helmholtz-Zentrum Berlin, на образец окиси углерода в центре реакционного микроскопа. Молекула окиси углерода состоит из одного атома кислорода и одного атома углерода. Рентгеновский пучок теперь имел точно нужное количество энергии, чтобы выбить один из электронов из самой внутренней электронной оболочки атома углерода.
В результате молекула фрагментируется. Затем были измерены атомы кислорода и углерода, а также высвобожденный электрон.
«И именно здесь квантовая физика вступает в игру», — объясняет Рист. «Эмиссия электронов не происходит симметрично во всех направлениях». Поскольку молекулы окиси углерода имеют выдающуюся ось, испускаемые электроны, пока они все еще находятся в непосредственной близости от молекулы, все еще подвержены влиянию ее электростатических полей. Это немного задерживает высвобождение — и в разной степени в зависимости от направления, в котором выбрасываются электроны.
Так как, в соответствии с законами квантовой физики, электроны имеют не только характер частицы, но и волновой характер, который в итоге проявляется в виде интерференционной картины на детекторе. «На основе этих интерференционных эффектов, которые мы смогли измерить с помощью реакционного микроскопа, продолжительность задержки может быть определена косвенно с очень высокой точностью, даже если временной интервал невероятно короткий», — говорит Рист. «Однако для этого нам пришлось воспользоваться несколькими возможными трюками, предлагаемыми квантовой физикой».
С одной стороны, измерения показали, что для испускания электрона действительно требуется всего несколько десятков аттосекунд. С другой стороны, они показали, что этот временной интервал очень сильно зависит от направления, в котором электрон покидает молекулу, и что это время излучения также сильно зависит от скорости электрона.
Эти измерения интересны не только для фундаментальных исследований в области физики. Модели, которые используются для описания этого типа электронной динамики, также актуальны для многих химических процессов, в которых электроны не высвобождаются полностью, а переносятся в соседние молекулы, например, и вызывают дальнейшие реакции. там. «В будущем такие эксперименты также могут помочь лучше понять динамику химических реакций», — говорит Янке.
Поделитесь в вашей соцсети👇
