测量爱因斯坦的光电效应:释放电子所需的时间

测量爱因斯坦的光电效应:释放电子所需的时间

电子存储环 BESSY II 上的 COLTRIMS 反应显微镜,Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie (HZB)。

当光照射到一种材料上时,电子可以从这种材料中释放出来——光电效应。尽管这种效应在量子理论的发展中发挥了重要作用,但它仍然存在许多秘密:迄今为止,尚不清楚光子被吸收后电子释放的速度有多快。Jonas Rist,博士 在法兰克福歌德大学核物理研究所的一个国际研究团队中工作的学生现在已经能够借助法兰克福开发的 COLTRIMS 反应显微镜找到这个谜团的答案:发射发生在闪电快,即在几阿秒内——在十亿分之一秒内。

整整 100 年前,阿尔伯特·爱因斯坦因在光电效应方面的工作获得了诺贝尔物理学奖。陪审团还没有真正理解他的革命性相对论——但爱因斯坦也在光电效应方面进行了开创性的工作。通过他的分析,他能够证明光子包含单独的能量包——所谓的光子。这是对马克斯·普朗克关于光是由量子组成的假设的决定性证实,并为现代量子理论铺平了道路。

尽管同时对分子中的光电效应进行了广泛的研究,但尚无法在实验测量中确定其随时间的演变。光量子撞击分子后需要多长时间才能使电子沿特定方向脱离?

“光子吸收和电子发射之间的时间长度很难测量,因为它只是阿秒级的问题,”博士 Till Jahnke 解释说。Jonas Rist 的主管。这仅对应于一些轻微的振荡。“到目前为止,直接测量这个持续时间是不可能的,这就是我们现在间接确定它的原因。” 为此,科学家们使用了 COLTRIMS 反应显微镜——一种测量装置,可以用它对单个原子和分子进行令人难以置信的详细研究。

研究人员向反应显微镜中心的一氧化碳样本发射了由柏林亥姆霍兹中心的同步辐射源 BESSY II 产生的极强 X 射线。一氧化碳分子由一个氧原子和一个碳原子组成。现在,X 射线束具有正好合适的能量,可以将其中一个电子从碳原子的最内层电子壳中移出。结果,分子碎片。然后测量氧和碳原子以及释放的电子。

这就是量子物理学发挥作用的地方。“电子的发射并不是在所有方向上对称地发生。” 由于一氧化碳分子有一个突出的轴,发射的电子,只要它们仍然紧邻分子,仍然会受到其静电场的影响。这会稍微延迟释放 - 并且程度不同,具体取决于电子喷射的方向。

因为根据量子物理定律,电子不仅具有粒子特性,而且具有波动特性,最终在探测器上以干涉图案的形式表现出来。“基于我们能够用反应显微镜测量的这些干扰效应,即使时间间隔非常短,延迟的持续时间也可以非常准确地间接确定,”Rist 说。“然而,要做到这一点,我们必须利用量子物理学提供的几种可能的技巧。”

一方面,测量结果表明,发射电子确实只需要几十阿秒。另一方面,他们揭示了这个时间间隔在很大程度上取决于电子离开分子的方向,并且这个发射时间同样很大程度上取决于电子的速度。

这些测量不仅对物理学领域的基础研究很有意义。用于描述这种电子动力学的模型也与许多化学过程相关,在这些化学过程中,电子并未完全释放,而是转移到邻近的分子,例如,并在那里引发进一步的反应。在未来,这样的实验也有助于更好地理解化学反应动力学。

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投稿时间:2022-02-12  最后更新:2022-09-02

标签:爱因斯坦   光电效应   氧化碳   法兰克福   测量   电子   光子   量子   显微镜   分子   时间

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