Физики уточнили время фотоэмиссии электрона

Исследователи из университетов Лунда, Стокгольма и Гетенбурга уточнили измерение времени фотоэмиссии электронов — очень короткого отрезка времени, за который электрон успевает удалиться от ядра на расстояние, когда притяжение протонов уже не действует.

Фотоэлектронной эмиссией называется физическое явление, при котором электроны вещества поглощают кванты электромагнитного излучения и приобретают энергию, позволяющую преодолеть потенциальный барьер и покинуть пределы действия кулоновского притяжения зарядов электрона и атомного ядра. Эмиссия электрона под действием электромагнитного излучения приводит к фотоионизации вещества под действием электромагнитных волн. За теоретическое обоснование эффекта фотоионизации Альберт Эйнштейн получил в 1921 году Нобелевскую премию, а за несколько десятилетий до его исследований эффект открыли Генрих Герц и Александр Столетов.

Процесс удаления электрона от атома долгое время считался мгновенным, но в 2008 году было доказано, что между поглощением кванта света и эмиссией электрона существует ничтожная, но все-таки измеримая задержка; ее продолжительность зависит от конфигурации ядра и электронной оболочки атома и того, на каком энергетическом уровне находился электрон.

Как и все процессы, происходящие в субатомных масштабах, фотоэмиссия занимает время, которое измеряется аттосекундами — квинтиллионными долями секунды. Скорость таких процессов измеряют с помощью сверхбыстрых лазеров, дающих короткие импульсы жесткого ультрафиолета каждые несколько аттосекунд (10^–18 с). Скорость фотоэмиссии уже измерялась с помощью аттосекундных лазеров; тогда излучению подвергали атомы гелия.

На этот раз ученые выбрали неон — легкий элемент, в котором возбуждаться и отделяться от ядра способны только восемь электронов, расположенных на 2s и 2p-орбиталях. Измерив с высокой точностью энергию ионизированных ультрафиолетом атомов неона, физики измерили задержку между поглощением кванта света и испусканием электрона для всех энергетических уровней, разрешенных в атоме неона. Результаты измерений в точности совпали с теоретическими расчетами.

Совпадение экспериментальных результатов с расчетными в этом эксперименте — большой прорыв; после этого можно переходить к изучению динамики электронов в более сложных атомах и молекулах. В перспективе такие измерения должны стать мощным инструментом для ученых, в деталях изучающих химические процессы, в том числе и в сложных органических молекулах.

Исследование опубликовано в журнале Science.