Фотоэффект подарил ионам обратный импульс
В процессе ионизации ионы в среднем получают 3/5 от импульса первоначального фотона и за счет этого двигаются в противоположную импульсу фотона сторону. Это удалось выяснить с помощью тщательного измерения импульсов, которые приобрели заряженные ионы гелия и азота после фотоионизации электрона с внутренней K-оболочки. Результаты для обоих типов атомов совпали с предсказаниями теории в широком диапазоне энергий фотонов: от 300 электронвольт до 40 килоэлектронвольт. Работа опубликована в Physical Review Letters, кратко о результатах сообщает журнал Physics.
Так как классическая теория электромагнитных волн Максвелла не могла объяснить многих особенностей фотоэффекта, его изучение способствовало развитию современной квантовой физики. В частности, для построения теории этого явления Альберт Эйнштейн привлек идею о том, что энергия из электромагнитной волны поглощается только определенными порциями, и назвал поглощаемые частицы фотонами. За открытие законов фотоэффекта Эйнштейн в 1921 году получил Нобелевскую премию по физике.
Фотоионизация — схожий с фотоэффектом процесс, при котором электрон вылетает из атома при поглощении атомом налетающего фотона. Такой электрон называется фотоэлектроном, а атом после этого становится заряженным ионом. Теория фотоионизации отдельных атомов активно развивалась в 1920-е годы усилиями Пьера-Виктора Оже (Pierre Victor Auger) и Жана-Батиста Перрена (Jean Baptiste Perrin): в 1927 году они опубликовали работу о распределении импульсов фотоэлектронов. В частности, там они отметили, что фотоэлектроны вылетают преимущественно в направлении начального движения фотона, и что их импульс «...более чем на 50 процентов превышает импульс фотона» — оставив, впрочем, это явление без объяснения. О похожем явлении сообщали и другие авторы, отмечая, что для выполнения закона сохранения импульса ион, в который превращается атом после вылета фотоэлектрона, неизбежно должен двигаться в ту сторону, откуда прилетел фотон.
Согласно квантово-механическому описанию фотоионизации, средний обратный импульс ионов возникает из-за интерференции между дипольным и квадрупольным переходами, которые по отдельности дают симметричное распределение импульса ионов. Это оказывается в некотором противоречии с эффектом давления света в направлении распространения фотонов. В дальнейшем этот эффект лишь кратко упоминался в контексте влияния давления света на внутризвездные процессы, и лишь в 2014 году группа теоретиков из Университета Шербрук (Канада) подробно рассчитала импульсы иона и электрона при различных сценариях фотоионизации, в частности показав, что в процессе однофотонной ионизации ион приобретает обратный импульс величиной 3/5 от начального импульса фотона.
Для подтверждения существующей теории ученые из Института ядерной физики Гёте под руководством Райнхарда Дёрнера (Reinhard Dörner) измерили распределение импульсов ионов азота N+ и гелия He+ после ионизации под воздействием синхротронного излучения. Измерения проводились на синхротроне PETRA III (Гамбург, Германия) для циркулярно поляризованного излучения с энергией до 1775 электронвольт, а также на Европейском Источнике Синхротронного Излучения (ESRF, Гренобль, Франция) для линейно поляризованного света с энергией фотонов от 12 до 40 килоэлектронвольт. Для измерения заряда и всех трех компонент импульса ионов использовалось ионная часть установки ионной импульсной спектроскопии с холодной мишенью (COLTRIMS), который позволяет собирать информацию об ионах в полном телесном угле 4π. В случае низких (высоких) энергий пучок атомов гелия (молекул азота) скрещивался с фотонным пучком. Рассеянные ионы собирались спектрометром, при этом точка попадания ионов с нулевым импульсом определялись при помощи комптоновского рассеяния.
Средние значения импульсов ионов, полученные в результате измерений, четко ложатся на прямую, соответствующую 3/5 от импульса первоначального фотона. Импульс электронов в работе непосредственно не измерялся, но согласно закону сохранения импульса, он в среднем равен 8/5 от импульса фотона. Авторы также измерили угловое распределение импульсов для низкоэнергетического случая (атомы гелия). Из-за угловой симметрии импульсы ионов располагаются в окрестности окружностей с различным радиусом, но центр этих окружностей сдвинут вперед на величину, соответствующую начальному импульсу фотона. Это означает, что центр масс системы (который практически совпадает с положением иона) приобретает импульс фотона. При этом импульсы ионов распределены вдоль этих окружностей несимметрично относительно вертикальной оси, и среднее значение проекции импульса иона на направление распространения фотона как раз составляет −3/5 от импульса фотона.
На основе измеренных импульсов ионов гелия ученые рассчитали угловое распределение импульсов электронов, выбитых из атомов в процессе ионизации. Получившаяся картина напоминает диаграмму излучения электрического диполя (поскольку угловой момент иона гелия до соударения нулевой) , однако, имеет значительный сдвиг в направлении начального импульса фотона. Для объяснения этого сдвига потребовалось учесть интерференцию между электрическим дипольным и квадрупольным переходом в атоме гелия.
Что касается физического процесса разделения импульса фотона между ионом и электроном, авторы отмечают, что в литературе часто встречаются неточные формулировки: так, утверждается, что фотон просто передает импульс электрону и поэтому угловое распределение импульса электронов сдвинуто в направлении начального движения фотона. Работа показывает, что реальная физическая картина вовлекает в себя различные матричные элементы переходов в атоме и поэтому точное описание фотоионизации может быть получено только на основе квантовой теории. Верные конечные значения импульса иона и фотоэлектрона получаются именно при учете квантово-механической интерференции различных процессов ионизации (дипольной и квадрупольной).
В дальнейшем авторы надеются изучить, как происходят двойная ионизация, при которой вылетает два фотоэлектрона, и многофотонная ионизация, при которой поглощается несколько фотонов но вылетает один электрон. Теория предсказывает, что в случае выбивания двух электронов качественная картина распределения импульсов остается примерно такой же, как и в изученном случае. Напротив, в многофотонных процессах, которые начинают проявляться при очень больших интенсивностях света, ожидается, что ион в среднем будет поучать импульс в направлении начальных фотонов. Авторы отмечают, что количественное описание фотоионизации может быть полезно для изучения процессов, происходящих во внешних слоев звезд или для описания ускорения электронов релятивистскими лазерными импульсами.
Детальное описание фотоэффекта и схожих явлений привлекает довольно пристальное внимание физиков. Ранее мы писали о том, как время вылета электрона при фотоэффекте связано с его угловым моментом, а также рассказывали, как ученым удалось измерить время отрыва фотоэлектронов с исключительно высоким разрешением.
Алексей Дмитриев
Это нельзя объяснить классической теорией разрушения
Физики экспериментально продемонстрировали, что скорость трещины от растяжения в хрупком нео-гуковском материале может превосходить предел, диктуемый классической моделью такого разрушения, — скорость Рэлея. Исследование опубликовано в журнале Science. Изучать механизмы разрушения в основном важно для инженерных задач: при проектировании конструкций, выборе материалов, а также для геофизики — например, при описании землетрясений. В частности, интерес представляет скорость распространения трещин при разных типах разрушений. Когда материал разрушается из-за растяжения в перпендикулярном плоскости трещины направлении, классическая линейно-упругая механика разрушения разрешает трещине распространяться не быстрее скорости Рэлея (характеристика среды). Более высокие скорости нарушают баланс между потоком потенциальной энергии в область разрушения и энергетическими затратами на рост трещины, на котором основана модель. Это ограничение, однако, не согласуется с компьютерными симуляциями поведения гиперупругих материалов, что говорит о неполноте классической модели. Тем не менее, надежное экспериментальное подтверждение скорости трещин при растяжении выше рэлеевских до недавнего времени отсутствовало. Физики из Еврейского университета в Иерусалиме под руководством Джея Файнберга (Jay Fineberg) экспериментально продемонстрировали движение трещины, возникающей при растяжении, со скоростью выше рэлеевской. Для этого они использовали листы полиакриламидных гидрогелей — это хрупкий нео-гуковский материал, то есть линейно эластичный при малых относительных деформациях, в соответствии с законом Гука, и нелинейно эластичный — при росте относительной деформации. Ширины образцов по оси растяжения составляли 20–80 миллиметров, толщина — около четверти миллиметра. На поверхности этих листов исследователи наносили квадратную решетку с длиной стороны 80 микрометров, чтобы отслеживать деформации, а затем растягивали листы и следили за их разрушением при разной величине растяжения при помощи рапидной съемки. Авторы также создавали на образцах небольшие прямые борозды шириной в десятые доли миллиметра посередине между краями растяжения листа, и отдельно наблюдали за развитием трещин в таких истонченных листах. Наблюдения проводились для относительных растяжений (то есть отношений разности ширины растянутого и исходного образца к исходной ширине) вплоть до 60–70 процентов. В результате физики установили, что критическая величина относительного растяжения, при которой трещина начинает двигаться со сверхрэлеевской скоростью, составляет примерно 19±1 процентов. При этом скорость трещины нарастает по мере ее движения и стремится к пределу, который увеличивается с ростом относительной деформации, и в условиях эксперимента не зависит от истончения и ширины образца. Авторы исследовали также зависимость величины критического относительного растяжения от химического состава гидрогеля — для этого они измерили эту величину при разных концентрациях мономеров и кросс-линкеров («сшивающие» мономеры в полимер вещества). Варьируя эти концентрации вместе и по отдельности, физики выявили прямую пропорциональную зависимость между критическим относительным растяжением и квадратным корнем отношения концентрации мономеров к концентрации кросс-линкеров. По словам ученых, это указывает на переход от спиральных полимерных цепочек к растянутым цепочкам вблизи вершины трещины, что может в будущем прояснить механизм образования трещин со сверхрэлеевской скоростью распространения. Современные открытия встречаются не только за рамками линейно-упругой теории разрушения, но и в ее пределах: ранее мы рассказывали о том, как физики объяснили отталкивание между трещинами с помощью классического подхода.