Сергей Семиков - Баллистическая теория Ритца и картина мироздания

Так, только волновая, колебательная трактовка объясняет тот факт, что для нелинейного фотоэффекта существует зависимость величины фототока от направления поляризации падающего света, совсем как в селективном фотоэффекте (§ 4.4). Раз преобразование излучения во вторую гармонику — это обычный нелинейный волновой эффект, протекающий в веществе (любое вещество в сильных лазерных полях становится нелинейной средой), то излучение должно прежде проникнуть в среду. А это, как видели, возможно лишь для света с продольной поляризацией, проникающего в толщу металла и выбивающего электроны уже не только с поверхности. Действительно, свет высокой интенсивности, даже при сильном затухании, способен сравнительно глубоко проникать в металл. Интенсивный свет, прошедший в глубь металла, и создаёт нелинейные эффекты. Удвоение частоты может происходить как в объёме металла, так и в отдельных его кристаллах, ориентированных случайным образом, в том числе, — таким, который обеспечивает выполнение условия синхронизма и эффективное преобразование первой гармоники во вторую. Итак, прозрачность металла — вещь относительная. Вдобавок в сильных лазерных полях, за счёт эффекта просветления среды, даже непрозрачная среда может стать отчасти прозрачной. Именно это позволило, в своё время, создать полупроводниковые лазеры, хотя полупроводники непрозрачны для света и во многом сходны по свойствам с металлами, что, как полагали кванторелятивисты, делает полупроводник непригодным в качестве активной среды лазера (§ 4.9). Таким образом, фотоэффект, часто называемый "многофотонным", гораздо правильней называть "нелинейным", как у Ландсберга [74]. Нелинейный фотоэффект — это чисто волновое, колебательное, классическое явление, относящееся к нелинейной оптике.

Последняя разновидность фотоэффекта — обратный фотоэффект: генерация металлом излучения при обстреле его поверхности электронами энергии E (§ 4.1). Электрон при захвате атомом начинает излучать на частоте своего вращения f = E / h (Рис. 156). Подобный же эффект работает и в некоторых светодиодах, где в переходном слое полупроводникового кристалла, края которого находятся под напряжением V , электроны набирают энергию E=eV и, при захвате атомами, закручиваясь в их магнитном поле, излучают на частоте вращения f = eV / h . Ещё раз отметим, что захват и выброс электрона атомом происходит без изменения энергии (без затрат и выделения энергии ионизации), поскольку захват производит магнитное поле нейтрального атома, не меняющее энергии захваченного электрона. Что касается потенциального электрического поля атомного ядра, то оно в принципе не способно захватить электрон. Поэтому, в фотоэффекте электроны лишь малую долю энергии получают от света, основная же часть энергии у них есть изначально. И, не исключено, что однажды опыт покажет: энергия электронов, покинувших металл, порой превосходит энергию выбившего их света. Энергия света идёт лишь на изменение орбиты электрона и отрыв его от атома при сходе с устойчивой орбиты. В фотоэлементах (солнечных батареях) эта энергия освобождения электронов и преобразуется в электрическую. В случае, если бы энергия света шла ещё и на придание скорости электронам, по сути, — на нагрев полупроводника, КПД солнечных батарей было бы существенно меньше известного. Реально же энергия света напрямую, с минимальными потерями, преобразуется в электрическую.

Рис. 156. Прямой (а) и обратный (б) фотоэффекты: выброс электрона атомом под действием света (а) и генерация атомом рентгеновского излучения при захвате электрона.

Вполне возможно, что правильное понимание механизма фотоэффекта позволит ещё сильней повысить КПД солнечных батарей, найти более дешёвые и эффективные полупроводниковые материалы, преобразующие свет в электроэнергию. Пока же поиск таких материалов вёлся вслепую. И, лишь на базе классического подхода, этот поиск станет, наконец, целенаправленным, осмысленным и эффективным. Стоит отметить, что в диэлектриках и полупроводниках, в отличие от металла, свету, возможно, всё же приходится совершать некоторую работу по ионизации атомов, поскольку производится отрыв уже не только внешних, но, порой, и внутренних электронов в атоме. Вероятней всего, в таких случаях свет не сам выбивает эти внутренние электроны, а делает это через посредство внешних. Сначала свет воздействует на внешние, крутящиеся возле атома электроны энергии E=hf , заставляя их срываться с орбиты (§ 4.3). Эти внешние электроны ударяют в другие атомы и, при достаточной энергии E (если она достигает энергии ионизации E и), выбивают из атомов внутренние электроны, производя ионизацию. В этом, видно, и состоит причина того, что атом может быть ионизован лишь светом частоты f=E и/ h или большей. Поэтому, фотоэлементы и солнечные батареи необходимо конструировать на основе материалов с возможно меньшей энергией отрыва электронов от атомов.

Аналогично протекает фотоионизация в газах: внешние электроны атомов, сорвавшись с орбиты — под действием света частоты f=E и/ h , без потерь своей энергии E=E иударяют в другие нейтральные атомы и выбивают из них внутренние электроны, которым уже приходится преодолевать притяжение ядра, затрачивая на это сообщённую энергию E и. Известна и многофотонная ионизация, когда ионизацию производит свет меньшей частоты f=E и/ nh , где n — целое число [74]. Однако, объясняется этот феномен, подобно нелинейному фотоэффекту, — не поглощением сразу n фотонов, а генерацией средой кратных частот 2 f , 3 f …, nf , за счёт нелинейных эффектов (§ 4.5). Интенсивное излучение частоты f , проходя через среду, обогащает свой спектр, за счёт генерации новых гармоник атомами газа. Это вторичное излучение кратных частот f'=nf=E и/ h и выбивает электроны из атомов. Впрочем, возможно и вырывание электрона из атома под действием ударов сразу нескольких фотоэлектронов (не фотонов!), с энергией, меньшей энергии ионизации.