Почему фотоэлектрический эффект стал ключевым аргументом:
- Классическая волновая теория предсказывала, что энергия электронов должна нарастать с интенсивностью света и что при любой частоте при большой выдержке появится эмиссия. Экспериментально наблюдались другие факты:
- Существует пороговая частота: при $\nu <{\nu }_0$ фотоэмиссия не происходит независимо от интенсивности.
- Максимальная кинетическая энергия электронов зависит линейно от частоты и не от интенсивности: $K_{\max }=h\nu -\varphi$, где $h$ — постоянная Планка, $\varphi$ — работа выхода.
- Немедленность: фотоэлектроны появляются без заметной временной задержки даже при малой интенсивности.
- Эти факты наиболее просто объяснялись постулатом Эйнштейна: свет состоит из квантов (фотонов) с энергией $\hslash \omega$. Такой подход дал прямую связь между энергией фотона и энергией выбиваемого электрона и ввёл постоянную Планка как фундаментальную величину — что стало сильным аргументом в пользу квантовой природы света.
Какие современные эксперименты расширяют понимание многофотонных и совпадающих фотоэмиссий:
- Энергетическая балансировка в многофотонных процессах: многоквантовая абсорбция описывается законом сохранения энергии
$n\hslash \omega =K+\varphi +E_{\text{внутр}}$,
где $n$ — число поглощённых фотонов. В сильных полях наблюдаются пики выше порога (above-threshold ionization, ATI) с интервалом $\hslash \omega$.
- Переход между мультифотонной и туннельной региональностью определяется параметром Кельдыша:
$\gamma =\frac{\omega \sqrt{2m\Phi }}{eE}$.
Современные эксперименты варьируют интенсивность/частоту, чтобы исследовать эти режимы и неклассические эффекты в сильных полях.
- Аттосекундная спектроскопия (attosecond streaking, RABBITT): позволяет измерять временные задержки эмиссии с точностью в аттосекундах и различать динамику выбивания электронов из разных орбиталей и коррелированные процессы.
- Коллизионно-коинцидентные методы (COLTRIMS, reaction microscope): регистрируют в едином событии направления и энергии нескольких частиц (электрон+электрон, электрон+ион), что даёт прямую информацию о корреляции двух- и многoэлектронных выбиваниях (двойная фотоионизация, shake-off, knock-out).
- Эксперименты на контрольных наноструктурах и плазмонах: локальное усиление поля на нанопиковках и в плазмонных резонансах усиливает многофотонную фотоэмиссию, открывая новые режимы локально нелинейной эмиссии и изучение квантовых эффектов в металлах и полупроводниках.
- Использование сшитых/запутанных фотонов в двухфотонной фотоэмиссии: показывает изменения в вероятностях и статистике многоквантового поглощения по сравнению со случайными фотонами — исследуют квантовые корреляции и возможности управления процессом.
- Временно-разрешённая фотоэлектронная микроскопия (TR-PEEM) и угловая- и энергетически разрешённая фотоэмиссионная спектроскопия (time- and angle-resolved PES): исследуют динамику электронных вакантных состояний, релаксацию и корреляции в реальном времени.
- Эксперименты по двойной фотоэмиссии от одного фотона (single-photon double ionization) и многократному выбиванию: позволяют разграничить механизмы «shake-off» и «knock-out» и изучить обмен энергии между электронами.
Кратко итог: фотоэффект дал прямое, количественное свидетельство квантования света через независимость энергии электронов от интенсивности и линейную зависимость от частоты. Современные методы (аттосекундная спектроскопия, COLTRIMS, мультифотонные сильнопольные эксперименты, исследования с запутанными фотонами и наноплазмами) расширяют это понимание, изучая временную динамику, многоквантовые каналы и электрон‑электронные корреляции.