Что происходит при многофотонном фотоэффекте кратко

Обновлено: 07.07.2024

Гипотеза Планка, блестяще решившая задачу теплового излучения черного тела, получила подтверждение и дальнейшее развитие при объяснении фотоэффекта – явления, открытие и исследование которого сыграло важную роль в становлении квантовой теории. В 1887 году Г. Герц обнаружил, что при освещении отрицательного электрода ультрафиолетовыми лучами разряд между электродами происходит при меньшем напряжении. Это явление, как показали опыты В. Гальвакса (1888 г.) и А.Г. Столетова (1888–1890 гг.), обусловлено выбиванием под действием света отрицательных зарядов из электрода. Электрон еще не был открыт. Лишь в 1898 году Дж.Дж. Томпсон и Ф. Леонард, измерив удельный заряд испускаемых телом частиц, установили, что это электроны.

Различают фотоэффект внешний, внутренний, вентильный и многофотонный фотоэффект.

Внешним фотоэффектом называется испускание электронов веществом под действием электромагнитного излучения. Внешний фотоэффект наблюдается в твердых телах (металлах, полупроводниках, диэлектриках), а также в газах на отдельных атомах и молекулах (фотоионизация).

Внутренний фотоэффект – это вызванные электромагнитным излучением переходы электронов внутри полупроводника или диэлектрика из связанных состояний в свободные без вылета наружу. В результате концентрация носителей тока внутри тела увеличивается, что приводит к возникновению фотопроводимости (повышению электропроводности полупроводника или диэлектрика при его освещении) или к возникновению электродвижущей силы (ЭДС).

Вентильный фотоэффект является разновидностью внутреннего фотоэффекта, – это возникновение ЭДС (фото ЭДС) при освещении контакта двух разных полупроводников или полупроводника и металла (при отсутствии внешнего электрического поля). Вентильный фотоэффект открывает пути для прямого преобразования солнечной энергии в электрическую.

Многофотонный фотоэффект возможен, если интенсивность света очень большая (например, при использовании лазерных пучков). При этом электрон, испускаемый металлом, может одновременно получить энергию не от одного, а от нескольких фотонов.

Первые фундаментальные исследования фотоэффекта выполнены русским ученым А.Г. Столетовым. Принципиальная схема для исследования фотоэффекта приведена на рис. 2.1.

Два электрода (катод К из исследуемого материала и анод А, в качестве которого Столетов применял металлическую сетку) в вакуумной трубке подключены к батарее так, что с помощью потенциометра R можно изменять не только значение, но и знак подаваемого на них напряжения. Ток, возникающий при освещении катода монохроматическим светом (через кварцевое стекло), измеряется включенным в цепь миллиамперметром.

В 1899 г. Дж. Дж. Томпсон и Ф. Ленард доказали, что при фотоэффекте свет выбивает из вещества электроны.

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) фотоэффекта – зависимость фототока I, образуемого потоком электронов, от напряжения, – приведена на рис. 2.2.

Такая зависимость соответствует двум различным энергетическим освещенностям катода (частота света в обоих случаях одинакова). По мере увеличения U фототок постепенно возрастает, т.е. все большее число фотоэлектронов достигает анода. Пологий характер кривых показывает, что электроны вылетают из катода с различными скоростями.

Максимальное значение фототока насыщения определяется таким значением напряжения U, при котором все электроны, испускаемые катодом, достигают анода:

где n – число электронов, испускаемых катодом в 1 с.

Из ВАХ следует, при U = 0 фототок не исчезает. Следовательно, электроны, выбитые из катода, обладают некоторой начальной скоростью υ, а значит и отличной от нуля кинетической энергией, поэтому они могут достигнуть катода без внешнего поля. Для того, чтобы фототок стал равным нулю, необходимо приложить задерживающее напряжение . При ни один из электронов, даже обладающий при вылете из катода максимальной скоростью , не может преодолеть задерживающего поля и достигнуть анода. Следовательно,

т.е. замерив задерживающее напряжение , можно определить максимальные значения скорости и кинетической энергии фотоэлектрона.

При изучении ВАХ разнообразных материалов при разных частотах падающего на катод излучения и разных энергетических освещенностях катода и обобщении полученных данных были установлены три закона внешнего фотоэффекта.

Многофотонный фотоэффект - термин, объединяющий ряд фотоэлектрических явлений, при к-рых изменение электропроводности, возникновение эдс или эмиссия электронов происходят вследствие поглощения электроном вещества (т. е. в связанном состоянии) двух или более фотонов в одном элементарном акте. Практически все разновидности фотоэффекта (внутренний, вентильный, внешний) имеют свой "многофотонный вариант", отличающийся тем, что электроны вещества приобретают необходимую энергию в процессе многофотонного поглощения, в то время как при "обычном" фотоэффекте требуемое возбуждение электронов достигается за счёт однофотонного поглощения. Это обстоятельство обусловливает гл. особенности M. ф.: 1) M. ф. наблюдается при достаточно высоких интенсивностях / падающего излучения, достижимых лишь с помощью лазеров; 2) величина фотоотклика вещества (фотоэдс, фототек) при M. ф. пропорциональна / т , где т - порядок фотоэффекта, т. е. число фотонов, поглощаемых в одном акте; 3) зависимость M. ф. от частоты излучения отражает спектральные характеристики многофотонного поглощения.

Наиб, часто термин "М. ф." употребляется по отношению к многофотонному внеш. фотоэффекту - многофотонной ионизации атомов и молекул в газах и многофотонной эмиссии электронов из конденсиров. сред. В этом случае энергия т поглощаемых фотонов затрачивается па преодоление энергии связи электрона в атоме или работы выхода электрона из вещества в вакуум или др. вещество.

В результате M. ф. при высоких интенсивностях излучения исчезает т. н. красная граница фотоэффекта: если энергии одного фотона недостаточно для преодоления работы выхода А, то эмиссия электронов может происходить за счёт m-фотонного поглощения.

Фототок при m-фотонной эмиссии электронов

(рис. 1), где- константа, определяемая структурой вещества, частотой и поляризацией излучения. Соответственно квантовый выход M. ф. пропорционалент. о. в отличие от однофотонной эмиссии зависит от интенсивности света.

Для поверхностного M. ф. в металлах характерна также более резкая поляризац. зависимость фототока: , где - угол падения, - угол между вектором напряжённости электрич. ноля световой волны и плоскостью падения (см. Металлооптика).

Так как M. ф. может быть только при высоких интен-сивностях падающего излучения, то его наблюдение в "чистом виде" возможно лишь при специально выбранных условиях эксперимента, исключающих влияние маскирующих факторов. Основным таким факторо;ч, напр, в случае многофотонной фотоэмиссии, является термоэлектронная эмиссия, обусловленная нагревом вещества под действием интенсивного светового излучения. На рис. 2 перегиб в зависимости фототока от интенсивности излучения объясняется тем, что осн. вклад при I 2 даёт фототек трёхфотонной эмиссии, а при I > 1 МВт/см 2 - термоэмиссионный ток.

Для исключения маскирующих эффектов при M. ф. используются импульсы света пико- и фемтосекундной длительности.

Литература по многофотонному фотоэффекту

Анисимов С. И., Бендерский В. А., Гаркаш Д., Нелинейный фотоэлектрический эффект в металлах под действием лазерного излучения, "УФН", 1977, т. 122, с. 185.
Лаудон Р., Квантовая теория света, пер. с англ., M., 1976;
Лаундeн Р.Что такое фотон? Rodney Loudon - What is a photon, 2003.
Ради Дж., Действие мощного лазерного излучения, пер. с англ., M., 1974;

Эксперимент А. Майкельсона, Майкельсона - Морли - действительно является цирковым фокусом, загипнотизировавшим физиков на 120 лет.

Дело в том, что в его постановке и выводах произведена подмена, аналогичная подмене в школьной шуточной задачке на сообразительность, в которой спрашивается:
- Cколько яблок на березе, если на одной ветке их 5, на другой ветке - 10 и так далее
При этом внимание учеников намеренно отвлекается от того основополагающего факта, что на березе яблоки не растут, в принципе.

В эксперименте Майкельсона ставится вопрос о движении эфира относительно покоящегося в лабораторной системе интерферометра. Однако, если мы ищем эфир, как базовую материю, из которой состоит всё вещество интерферометра, лаборатории, да и Земли в целом, то, естественно, эфир тоже будет неподвижен, так как земное вещество есть всего навсего определенным образом структурированный эфир, и никак не может двигаться относительно самого себя.

Удивительно, что этот цирковой трюк овладел на 120 лет умами физиков на полном серьезе, хотя его прототипы есть в сказках-небылицах всех народов всех времен, включая барона Мюнхаузена, вытащившего себя за волосы из болота, и призванных показать детям возможные жульничества и тем защитить их во взрослой жизни. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.

Многофотонный фотоэффект приводит к исчезновению красной границы фотоэффекта, определяемой формулой ( 15.20 а), и ее смещению в длинноволновую часть шкалы электромагнитных волн. Это вполне понятно, так как при многофотонном, например - фо-тонном, фотоэффекте в левой части выражения (15.19) будет присутствовать энергия не одного, а п квантов. В частности, если энергии всех поглощенных квантов равны, то для / г-фотоиного фотоэффекта условие (15.20) будет иметь вид n - hv mn Л, где Н мия - энергия одного фотона. [1]

К нелинейным эффектам поглощения примыкает и многофотонный фотоэффект . В экспериментах с фокусируемыми лазерными пучками достигаются столь высокие плотности световой энергии, что становятся доступными наблюдению процессы, в которых атом одновременно поглощает до 7 - 8 фотонов. Интересно, что Эйнштейн в работе 1905 г., содержащей вывод основного уравнения фотоэффекта, не исключал принципиальной возможности процессов с участием более чем одного фотона. [2]

При очень высокой интенсивности сфокусированного лазерного излучения возможен многофотонный фотоэффект , когда одному электрону передается энергия сразу нескольких фотонов. Для многофотонного фотоэффекта красная граница отсутствует. [3]

В чем состоят основные отличия закономерностей многофотонного поглощения и многофотонного фотоэффекта от законов соответствующих одно-фотонных явлений. [4]

При очень высоких иитеисивиостях ( сфокусированное лазерное излучение) возможен многофотонный фотоэффект ( см. § 10.1), для которого красная граница исчезает. [5]

Однако в работе [246] указывается, что ионизацию в луче лазера нельзя объяснить многофотонным фотоэффектом или простым образованием электронов в поле волны. Предлагается для объяснения ионизации использовать механизм туннельного эффекта в поле волны излучения и столкновительные комплексы атомов, которые на время удерживаются силами Ван-дер - Ваальса. В результате захвата нескольких фотонов таким комплексом может происходить ионизация одного из атомов. [6]

Если в качестве источника света пользоваться мощными лазерными источниками, то возникает многофотонное поглощение, а следовательно многофотонный фотоэффект . Под действием светового поля напряженностью 10 В / см удалось надежно регистрировать шести - и семифотонную ионизацию инертных газов. [7]

При очень высокой интенсивности сфокусированного лазерного излучения возможен многофотонный фотоэффект, когда одному электрону передается энергия сразу нескольких фотонов. Для многофотонного фотоэффекта красная граница отсутствует. [8]

Многофотонный внешний фотоэффект применяется для исследования зонной структуры металлов и диэлектриков, свойств их поверхностей. Вероятность многофотонного фотоэффекта зависит от степени когерентности излучения. Это позволяет применять данный эффект для изучения когерентных свойств оптического излучения. [9]

Распространение мощного излучения, испущенного оптическим квантовым генератором, сопровождается так называемыми нелинейными явлениями. Некоторые из них - вынужденное рассеяние Мандельштама-Бриллюэна, вынужденное рассеяние крыла линии Рэлея и вынужденное температурное рассеяние - описаны в гл. XXIX; выше упоминались также многофотонное поглощение и многофотонная ионизация ( см. § 157), зависимость коэффициента поглощения от интенсивности света ( см. § 157), нелинейный или многофотонный фотоэффект ( см. § 179), многофотонное возбуждение и диссоциация молекул ( см. § 189), эффект Керра, обусловленный электрическим полем света ( см. § 152); сведения о других будут изложены в § 224 и в гл. Совокупность нелинейных явлений составляет содержание нелинейной оптики и нелинейной спектроскопии, которые сформировались в 60 - е годы и продолжают быстро развиваться. [10]

Распространение мощного излучения, испущенного оптическим квантовым генератором, сопровождается так называемыми нелинейными явлениями. Некоторые из них - вынужденное рассеяние Мандельштама - Бриллюэна, вынужденное рассеяние крыла линии Рэлея и вынужденное температурное рассеяние - описаны в главе XXIX; выше упоминались также многофотонное поглощение и многофотонная ионизация ( см. § 157), зависимость коэффициента поглощения от интенсивности света ( см. § 157), нелинейный или многофотонный фотоэффект ( см. § 179), многофотонное возбуждение и диссоциация молекул ( см. § 189), эффект Керра, обусловленный электрическим полем света ( см. § 152); сведения о других будут изложены в § 224 и в гл. Совокупность нелинейных явлений составляет содержание нелинейной оптики и нелинейной спектроскопии, которые сформировались в 60 - е годы и продолжают быстро развиваться. [11]

Рассматриваемая задача становится еще более сложной, если существенно увеличить частоту или интенсивность света. До сих пор мы полагали ( хотя это и не оговаривалось), что при поглощении одного фотона может появиться не более одного фотоэлектрона и что один электрон может поглотить не более одного фотона. Поглотив фотон большой энергии, электрон может передать часть энергии другим электронам и тем самым обеспечить их участие в фотоэмиссии; в результате и наблюдается многоэлектронный фотоэффект. При достаточно высокой интенсивности света возможно поглощение электроном сразу двух ( и более) фотонов; это есть многофотонный фотоэффект . О многофотонных процессах мы поговорим в гл. [12]

Физический энциклопедический словарь. — М.: Советская энциклопедия . Главный редактор А. М. Прохоров . 1983 .

- термин, объединяющий ряд фотоэлектрических явлений, при к-рых изменение электропроводности, возникновение эдс или эмиссия электронов происходят вследствие поглощения электроном вещества (т. е. в связанном состоянии) двух или более фотонов в одном элементарном акте. Практически все разновидности фотоэффекта (внутренний, вентильный, внешний) имеют свой "многофотонный вариант", отличающийся тем, что электроны вещества приобретают необходимую энергию в процессе многофотонного поглощения, в то время как при "обычном" фотоэффекте требуемое возбуждение электронов достигается за счёт однофотонного поглощения. Это обстоятельство обусловливает гл. особенности M. ф.: 1) M. ф. наблюдается при достаточно высоких интенсивностях / падающего излучения, достижимых лишь с помощью лазеров; 2) величина фотоотклика вещества (фотоэдс, фототек) при M. ф. пропорциональна / т , где т- порядок фотоэффекта, т. е. число фотонов, поглощаемых в одном акте; 3) зависимость M. ф. от частоты излучения отражает спектральные характеристики многофотонного поглощения.

Фототок при m -фотонной эмиссии электронов

(рис. 1), где - константа, определяемая структурой вещества, частотой и поляризацией излучения. Соответственно квантовый выход M. ф. пропорционален т. о. в отличие от однофотонной эмиссии зависит от интенсивности света.

Лит.: Ради Дж., Действие мощного лазерного излучения, пер. с англ., M., 1974; Анисимов С. И., Бендерский В. А., Fаркаш Д., Нелинейный фотоэлектрический эффект в металлах под действием лазерного излучения, "УФН", 1977, т. 122, с. 185. К. H. Драбович.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия . Главный редактор А. М. Прохоров . 1988 .

Читайте также: