Фізики уточнили час фотоемісії електрона

Дослідники з університетів Лунда, Стокгольма і Гетенбурга уточнили вимір часу фотоемісії електронів – дуже короткого відрізку часу, за який електрон встигає піти від ядра на відстань, коли тяжіння протонів вже не діє.

Фотоелектронною емісією називається фізичне явище, при якому електрони речовини поглинають кванти електромагнітного випромінювання і набувають енергію, що дозволить подолати потенційний бар’єр і покинути межі дії кулонівського тяжіння зарядів електрона і атомного ядра. Емісія електрона під дією електромагнітного випромінювання призводить до фотоіонізації речовини під дією електромагнітних хвиль. За теоретичне обгрунтування ефекту фотоіонізації Альберт Ейнштейн отримав в 1921 році Нобелівську премію, а за кілька десятиліть до його досліджень ефект відкрили Генріх Герц і Олександр Столетов.

Процес віддалення електрона від атома довгий час вважався миттєвим, але в 2008 році було доведено, що між поглинанням кванта світла і емісією електрона існує незначна, але все-таки вимірюванна затримка; її тривалість залежить від конфігурації ядра і електронної оболонки атома і того, на якому енергетичному рівні знаходився електрон.

Як і всі процеси, що відбуваються в субатомних масштабах, фотоемісія займає час, який вимірюється аттосекундами – квінтильйона частка секунди. Швидкість таких процесів вимірюють за допомогою надшвидких лазерів, що дають короткі імпульси жорсткого ультрафіолету кожні кілька аттосекунд (10-18 с). Швидкість фотоемісії вже вимірювалася за допомогою аттосекундних лазерів; тоді випромінювання піддавали атоми гелію.

На цей раз вчені вибрали неон – легкий елемент, в якому активуватися і відділятися від ядра здатні тільки вісім електронів, розташованих на 2s і 2p-орбіталях. Вимірявши з високою точністю енергію іонізованих ультрафіолетом атомів неону, фізики виміряли затримку між поглинанням кванта світла і випусканням електрона для всіх енергетичних рівнів, дозволених в атомі неону. Результати вимірювань в точності збіглися з теоретичними розрахунками.

Збіг експериментальних результатів з розрахунковими в цьому експерименті – великий прорив; після цього можна переходити до вивчення динаміки електронів в більш складних атомах і молекулах. У перспективі такі вимірювання повинні стати потужним інструментом для вчених, в деталях, хто вивчає хімічні процеси, в тому числі і в складних органічних молекулах.

Дослідження опубліковано в журналі Science.