§ 4.4 Селективный фотоэффект
Селективность фотоэлектрических явлений очень напоминает резонансные эффекты. Дело происходит так, как будто электроны в металле обладают собственным периодом колебаний, и по мере приближения частоты возбуждающего света к собственной частоте электронов амплитуда колебаний их возрастает и они преодолевают работу выхода. Подтверждение подобного взгляда можно было бы видеть в том обстоятельстве, что явление селективного фотоэффекта сильно зависит от направления поляризации света и угла падения.
Г.С. Ландсберг, "Оптика" [74]
Ещё одна загадочная и, до сих пор, не объяснённая особенность фотоэффекта, — селективный (избирательный) фотоэффект. Суть его в том, что вблизи некоторых частот фототок сильно возрастает, как при резонансе (Рис. 152). Причём, селективный фотоэффект сильно зависит от поляризации падающего света (потому его называют ещё "векториальным" [36, Ч.I]). Действие оказывает лишь составляющая поля, нормальная к поверхности металла, что можно выявить, например, с помощью стопы Столетова (стопки стеклянных пластин) [74]. Зависимость фототока от поляризации света, по отношению к поверхности металла, доказывает, что и здесь причина эффекта кроется в металле, а не в фотонах. Понять природу эффекта легко, если заметить, что он обнаружен в области ультрафиолета. Но, как раз, в ультрафиолете металлы обретают прозрачность, как было обнаружено ещё Р. Вудом [56, 136]. То есть, ультрафиолетовые лучи некоторого диапазона способны вырывать электроны не только с поверхности металла, но также из глубины, проникая в его толщу. Вот почему, на этих частотах фототок заметно возрастает.
Рис. 152. Зависимость фототока I от длины волны падающего света в селективном фотоэффекте для двух направлений поляризации [74].
Тогда усиление воздействия света в селективном фотоэффекте вызвано, во-первых, тем, что меньшая часть света отражается, проникая вглубь. Во-вторых, свет воздействует на большее число атомов, готовых к выбросу электрона, отчего эффективность воздействия света на вещество повышена. Итак, пик фототока наблюдается в окне прозрачности металла для света. Как показывает Таблица 10, частота f=c/λm, отвечающая этому пику, нарастает с уменьшением размера атома R. Поэтому, пик может быть обусловлен и тем, что в атомах есть орбиты, где электронов особенно много, причём, в силу подобия атомов, радиус этих орбит растёт с увеличением размера атома.
Итак, селективный эффект возникает, поскольку на некоторых частотах металлы плохо отражают и хорошо пропускают свет, который проходит в толщу металла и, тем самым, наращивает фототок. Поскольку поглощение имеет именно резонансный характер и связано с наличием собственных частот колебаний электронов, то и фототок обнаруживает выраженный пик в полосе поглощения. Поглощение вблизи резонансных частот fm сильно меняет диэлектрическую проницаемость металла ε= n2= 1-fp2/(f2-fm2), где fp — плазменная частота электронного газа в данном металле [74]. В итоге, мнимая часть показателя преломления n уменьшается, что ведёт к снижению проводимости металла, вплоть до того, что вблизи частот f= fm его можно условно считать диэлектриком. Соответственно, падает и коэффициент отражения R металла, за счёт сниженной проводимости перестающего хорошо отражать свет и сближающегося по своим отражательным свойствам с диэлектриками. Поэтому, свет на данных частотах особенно эффективно воздействует на электроны, за счёт проникновения в металл. И, точно, в области ультрафиолета, где в основном и наблюдался селективный фотоэффект, многие металлы хорошо поглощают и плохо отражают свет. Так, серебро, имеющее высокую отражательную способность R=95 % в видимом свете и потому применяемое в качестве отражающего покрытия зеркал, уже для света с длиной волны λ=316 нм уменьшает отражательную способность до 4,2 %, становясь по свойствам близкó к стеклу [136, с. 431]. Таким образом, зависимость фототока от частоты — это отражение кривой спектральной чувствительности металла, то есть, — зависимости его коэффициента поглощения (обусловленного электронами) от частоты света. При этом, на сплошной непрерывный спектр поглощения налагаются полосы-пики поглощения, связанные с наличием в атомах собственных частот колебаний электронов.
Рис. 153. Падение на границу двух сред света с продольной и поперечной относительно плоскости падения поляризацией.
Осталось объяснить зависимость селективного фотоэффекта — от поляризации излучения. Так, при падении луча перпендикулярно границе металла, селективный фотоэффект отсутствует. Зато, при косом, скользящем падении луча, эффект — максимален. Если селективный эффект вызван компонентой излучения, проникающей в глубь металла, то объяснение — очевидно. Из оптики [74] известно, что излучение разной поляризации по-разному проникает в преломляющую среду (Рис. 153). Лучше всего проходит излучение с вектором поляризации, лежащим в плоскости падения (параллельная поляризация E║), то есть, — как раз излучение с составляющей электрического поля, нормальной к границе среды. А излучение с вектором поляризации, перпендикулярным плоскости падения (перпендикулярная поляризация E┴), — не имеет нормальной к границе составляющей поля и проникает в среду заметно слабее, эффективно отражаясь.
Рис. 154. Зависимость коэффициента отражения R от угла падения φ для двух типов поляризации [74].
При угле падения, равном углу Брюстера, излучение с продольной поляризацией полностью проходит в среду (Рис. 154). Различие проницаемости среды для света выражено тем ярче, чем выше показатель преломления среды n. Для ультрафиолетовых лучей металл можно условно считать прозрачной средой, но — с большим и, при том, комплексным n (строго это делают в металлооптике [136]). Отсюда — высокая отражательная способность металлов (коэффициент отражения R растёт с ростом n) и отсюда же ясно, почему свет с вектором поляризации E┴ почти не проникает в толщу металла и не даёт селективного фотоэффекта, будучи почти полностью отражён из-за R┴, близкого к единице. Зато, как видно из графика (Рис. 154), свет с продольной поляризацией E║, имея низкий коэффициент отражения R║, хорошо проникает в металл и создаёт фототок тем эффективней, чем больше угол падения φ и нормальная к поверхности металла компонента поля E в падающей электромагнитной волне. Если n велико, то угол Брюстера, при котором всё излучение E║ проходит в металл, близок к 90°. Соответственно, и фототок должен расти с увеличением угла падения вплоть до угла Брюстера. Именно такая зависимость фототока от угла падения и наблюдалась в опытах: фототок монотонно нарастает, по мере увеличения угла φ от 0 до 90º [134].
Отметим, что ключ к пониманию селективного и простого фотоэффекта, на основе волновой теории, был предложен ещё П. Друде, который развил классическую теорию проводимости металла, на основе модели электронного газа (§ 4.17). Именно Друде открыл, что свет, отражённый металлом, поляризуется, словно при отражении диэлектриком, что доказывает преимущественное пропускание и поглощение металлом света одной поляризации [136]. Однако, Друде вскоре после разработки этих теорий трагически умер в 1906 г. в возрасте 42-х лет, как считают, — в результате самоубийства [161]. Это не только позволило спокойно расправиться с его классическими теориями металлооптики и проводимости, но и открыло дорогу теории относительности и квантовой теории на страницы редактируемого им журнала "Анналы физики", — одного из ведущих в то время.
§ 4.5 Нелинейный фотоэффект
Вот уже более пятнадцати лет развивается новое научно-техническое направление, связанное с умножением оптических частот (применяется также термин "генерация оптических гармоник": второй гармоники, третьей, четвёртой и т. д. — в зависимости от того, во сколько раз умножается частота исходного лазерного излучения).
Л.В. Тарасов, "Что такое нелинейная оптика" [143]
Другая важная разновидность фотоэффекта — нелинейный фотоэффект, чаще называемый ошибочно — "многофотонным". Суть его в том, что мощное лазерное излучение частоты f выбивает электроны с энергией уже не hf, а — удвоенной и кратной энергии E=nhf, где n — целое число [74]. Это принято объяснять тем, что в лазерном излучении плотность потока света столь высока, что электрон, порой, поглощает не один, а сразу n фотонов, у каждого забирая энергию E=hf, потому эффект и называют ещё "многофотонным". И, всё же, этот эффект легко объясним в рамках волновой оптики. Металл под действием лазерного излучения генерирует, за счёт нелинейных эффектов, излучение удвоенной и других кратных частот. Вторичное излучение и выбивает электроны из металла. В отличие от принятого многофотонного объяснения, это позволяет понять, почему нелинейный фотоэффект вызывает, опять же, лишь нормальная к металлу компонента поля волны. То есть, нелинейный фотоэффект, подобно селективному, чувствителен к поляризации света (§ 4.4). Это означает, что и здесь свет вырывает электроны не с поверхности, а из толщи металла, проникая вглубь.
