Free Student HQ / FSHQ / "Штаб-Квартира свободного Студента"

Основные результаты исследования атомного фотоэффекта

Не будет преувеличением сказать, что важнейшим научным достижением последних лет в исследовании фотоэффекта было доказательство коллективного характера реакции атома на поглощаемый фотон. Фактически фотоионизация наружных оболочек есть первый хорошо исследованный процесс, в котором проявляется существенное участие всех электронов ионизуемой оболочки.

Совершенствование эксперимента и углубление теории фотоэффекта велись в течение последних лет в весьма тесной связи, взаимно обогащая и стимулируя друг друга. Так, анализ отклонения результатов теоретического расчета в одно электронном приближении от данных эксперимента для 4d(10)-подоболочки ксенона (см. рис. 1.3) оказал решающее влияние на формирование представлений о коллективной природе атомного фотоэффекта и выборе метода его теоретического описания. В конце 60-х годов было разработано приближение случайных фаз с обменом (ПСФО), заимствованное в определенной мере из теории электронного газа в металлах и развитое для многоэлектронных атомов.

Важным достижением в области эксперимента было обнаружение в 1965—67 гг. автоиониэационных резонансов в атомах благородных газов — дискретных возбуждений, энергии которых соответствуют области сплошного спектра фотоиониэации электронов наружных подоболочек, и которые распадаются с удалением электрона из атома. Ранее такие резонансы были известны лишь в области малых энергий в щелочноземельных атомах. Зависимость сечения фотоионизации от частоты фотона в окрестности резонанса определяется силой взаимодействия дискретного уровня одной подоболочки со сплошным спектром другой. Причудливые формы автоиониэационных резонансов теоретически были описаны Фано в 1961 г.

В настоящее время известны не только простые автоионизационные резонансы, представляющие собой одноэлектронные возбуждения, но и более сложные — двухэлектронные. Изучение сечения фотоиони¬зации вблизи резонанса дает весьма детальную информацию о непосредственном взаимодействии электронов, принадлежащих разным оболочкам.

Важным этапом экспериментальных исследований было измерение зарядового состава ионов, образующихся при фотоэффекте. Оказалось, что однократная ионизация иногда усиливается в окрестности порогов внутренних оболочек — как перед ними, так и за ними. Это было объяснено в рамках ПСФО следующим образом. Фотон поглощается внутренней оболочкой, последняя деформируется, а это существенно изменяет самосогласованное поле, в котором движутся наружные электроны, и приводит к удалению одного из них из атома. Особо сильно такой эффект проявляется в ксеноне, где в окрестности порога 4d(10)-подоболочки кривая зависимости выхода однократных ионов от частоты фотона имеет резкий максимум. Этот максимум — коллективной природы, так как возникает вследствие воздействия многозлектронной 4d(10)-подоболочки на ионизацию наружных электронов.

Важным этапом экспериментальных исследований было изучение парциальных сечений фотоэффекта. Расчеты, выполненные в рамках ПСФО при изучении фотоионизации малоэлектронных подоболочек, привели к обнаружению сильных вариаций вероятности этого процесса как функции частоты фотона, вызванных воздействием соседних многозлектронных подоболочек. Изменение вероятности фотоионизации оказалось столь сильным, что уместно говорить о полной коллективизации малоэлектронных подоболочек. Почти сразу же это предсказание было подтверждено экспериментально.

С середины 60-х годов и по настоящее время идет интенсивное изучение процесса двухэлектронной фотоионизации — удаления двух электронов из атома одним фотоном. Такой процесс возможен лишь вследствие наличия непосредственного взаимодействия между атомными электронами. Оказалось, что в рассматриваемой области энергий фотона относительная вероятность этого процесса может быть весьма большой. Так, если для легких атомов эта вероятность составляет всего несколько процентов от вероятности процесса одноэлектронной фотоионизации, то для тяжелых атомов эта верояность достигает десятков процентов. В том случае, когда относительная вероятность двухэлектронной фотоионизации невелика, этот процесс может быть описан в первом порядке теории возмущений по непосредственному взаимодействию. Процесс двухэлектронной фотоионизации имеет особенно большую вероятность вблизи порога многоэлектронных оболочек. Это есть проявление сильного изменения самосогласованного поля наружных электронов вследствие деформации внутренней оболочки, поглотившей квант. Существенным достижением эксперимента явилось измерение угловых распределений фотоэлектронов. Соответствующая формула для нерелятавистской области была выведена М. Штоббе еще в 1930 г. Она предсказывала, что s-злектроны из атома будут вылетать с равной вероятностью как по, так и против направления движения фотона, и при этом отношение дифференциального сечения фотоионизации к полному (анизотропия фотоэлектронов) не зависит от энергии. Однако уже первые опытные данные показали, что при удалении электронов с отличным от нуля орбитальным моментом имеется, напротив, сильная зависимость от энергии, в особенности для наружных и внутренних оболочек.

Исследование дифференциальных сечений фотоионизации позволяет получить о процессе фотоионизации существенно более богатую информа¬цию, чем дают полные сечения. В угловом распределении весьма сильно проявляются коллективные эффекты. Так, в частности, обнаружилось, что зависимость от энергии анизотропии вылета фотоэлектронов из SР(6) и 5s²-подоболочек ксенона в большой мере определяется их взаимодействием между собой и воздействием на них внутренней 4d(10)-подоболочки, Деформированной вследствие поглощения фотона. В целом, имеющиеся данные по угловым распределениям описываются вполне удовлетворительно лишь при учете многоэлектронных корреляций.

Учет многоэлектронных корреляций осуществляется либо в рамках ПСФО, либо в рамках других методов, в первую очередь метода многочастичной теории возмущений (МТВ) и метода R -матрицы. Разработка этих последних методов применительно к теории фотоэффекта позволила, как и в рамках ПСФО, успешно описать данные опыта по полным, дифференциальным и парциальным сечениям фотоионизации, профилям автоионизационных линий и ряду других характеристик фотоэффекта. Эти методы составляют основу современного квантовомеханического описания атомного фотоэффекта в области энергий от порога ионизации наружной оболочки до сотен электрон-вольт.

Накопление данных эксперимента, полученных за последнее время, главным образом, с помощью синхротронного излучения, позволило обнаружить существенные отклонения результатов теоретических расчетов в рамках ПСФО от экспериментальных данных. Эти отклонения особенно велики около порогов ионизации внутренних оболочек. Для достаточно медленных фотоэлектронов весьма важной оказывается перестройка наружных оболочек за время, в течение которого они покидают атом.

Весьма существенным является и распад образующейся вакансии — радиационный и безрадиационный (оже-распад). Вследствие оже-распада медленный фотоэлектрон оказывается в более сильном поле притяжения двукратного иона, а не однократного. Оно замедляет фотоэлектрон и может даже захватить его на один из дискретных уровней, причем избыточная энергия передается оже-злектрону. Явление зто, обнаруженное впервые при столкновении тяжелых атомных частиц, а затем при рассеянии электронов на атомах, получило название ''взаимодействие после столкновения'' — ВПС. Первое проявление ВПС в фотоэффекте — захват фотоэлектронов на дискретный уровень двукратного иона, образовавшегося при оже-распаде, было обнаружено в 1976 г. [1.24]. Увеличение энергии оже-электрона при приближении к порогу фотоионизации внутренней оболочки впервые наблюдалось в 1977 г.. Учет упомянутых выше перестройки и распада глубокой вакансии потребовал разработки новых методов в теории фотоэффекта.

Важные и интересные результаты были получены при исследовании поляризации фотоэлектронов (т.е. преимущественного направления их спина). Было показано теоретически, а вскоре подтверждено экспериментально, что степень поляризации фотоэлектронов, возникающих при ионизации наружных s-электронов атомов щелочных металлов циркулярно-поляризованным светом, может достигать 100%. Эго открыло возможность использования фотоэффекта для получения поляризованных электронов. Поляризованными (со степенью поляризации вплоть до 100%) оказываются и фотоэлектроны из наружных оболочек многих других атомов. Весьма значительная степень поляризации возникает, даже если ионизующее излучение неполяриэовано, но фиксируется угол вылета фотоэлектрона. Результаты измерения оказались в хорошем согласии с расчетом в ПСФО, который приводит к весьма сложной зависимости степени полязации от энергии фотона.

Измерение направления спина фотоэлектрона позволяет осуществить так называемый ''полный опыт'', т.е. опыт, с помощью которого непосредственно из эксперимента можно получить значения модулей и фаз матричных элементов, определяющих амплитуду, а тем самым и сечение фотоионизации. ''Полный опыт'' включает измерение парциальных сечений, угловых и спиновых распределений фотоэлектронов.

Информация, аналогичная той, которая получается при исследовании поляризации фотоэлектрона, может быть получена и из данных по анизотропии вылета оже-электрона (или кванта, испускаемого при распаде вакансии) относительно направления потока ионизующего излучения. Анизотропия вылета оже-электронов была теоретически вычислена и измерена экспериментально. В настоящее время это явление изучается довольно интенсивно.

Таким образом, атомный фотоэффект исследуется сейчас весьма подробно и на большом числе атомов. Эго явление будет служить объектом изучения и в будущем — об этом свидетельствует все более широкое использование как имеющихся сейчас источников излучения — синхротронов и накопителей, так и строительство новых. Предметом будущих исследований станут не только измерения полных и парциальных сечений, угловых и спиновых распределений для все новых атомов, но и сечений двухэлектронной фотоиониэации, сечений комбинированных процессов (ионизации с возбуждением, равно как и ионизации возбужденных состояний атомов), а также более сложных проявлений ВПС. Можно думать, что предметом тщательного изучения станет и фотоионизация отрицательных ионов, причем не только наружных, но и промежуточных и внутренних оболочек. Определенный интерес будет представлять изучение проявлений комбинаций корреляционных и релятивистских эффектов в наружных и промежуточных оболочках.

Новые результаты изучения атомного фотоэффекта существенны для развития теории строения сложных многоэлектронных атомов. Однако и уже имеющиеся данные, и их интерпретация несомненно доказали, что процесс фотоионизации в области низких и средних энергий фотона, а также у порогов всех оболочек, носит коллективный характер. Стало ясно, что движение атомных электронов не является независимым и роль корреляционных эффектов велика. Развитие работ по атомному фотоэффекту позволит существенно продвинуться в понимании процесс фотопоглощения не только в свободных атомах, но и в молекулах, твердых телах, кластерах.

 

Друзья! FSHQ довольно молодой ресурс, мы группа создателей сайта имеем общее увлечение всей нашей жизни в лице этого проекта, мы пытаемся нести пользу людям. Мы не хотим, и не будем заваливать весь проект огромным количеством рекламы для того чтобы была финансовая возможность строить этот ресурс, потому мы решили обратиться к нашим читателям с просьбой поддержать наш проект, всего 5 рублей, большего не просим. Надеемся, что данная сумма не станет большой потерей для бюджета наших посетителей, эта помощь будет просто неоценима, для проекта это жизнь, а вместе с ним живем и работаем мы. Это очень важно для нас. Спасибо! VISA - 4276020013209090; WebMoney - R256677704329; Z164891118384;

 

Сайт создан в 2012 г. © Все права на материалы сайта принадлежат его автору!
Копирование любых материалов сайта возможно только с разрешения автора и при указании ссылки на первоисточник.
Яндекс.Метрика