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 Eи), выбивают из атомов внутренние электроны, производя ионизацию. В этом, видно, и состоит причина того, что атом может быть ионизован лишь светом частоты f=Eи/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=Eи/h, без потерь своей энергии E=Eи ударяют в другие нейтральные атомы и выбивают из них внутренние электроны, которым уже приходится преодолевать притяжение ядра, затрачивая на это сообщённую энергию Eи. Известна и многофотонная ионизация, когда ионизацию производит свет меньшей частоты f=Eи/nh, где n — целое число [74]. Однако, объясняется этот феномен, подобно нелинейному фотоэффекту, — не поглощением сразу n фотонов, а генерацией средой кратных частот 2f, 3f…, 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=Eи/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.
Во многом схож с фотоэффектом и процесс образования электрон-позитронных пар, под действием гамма-излучения, тоже имеющего критическую частоту f=Eп/h, по превышении которой из ядер вырываются электроны с позитронами [139]. Только здесь энергия Eп — это уже не энергия связи электронов с металлом или с атомом (энергия ионизации), а электростатическая энергия связи электронов и позитронов в ядре, составляющая величину, порядка Eп=2mc2 (§ 1.16, § 3.12, § 3.13). В целом, процесс "рождения" электрон-позитронных пар протекает подобно фотоионизации: излучение с частотой выше f>Eп/h воздействует на электрон, крутящийся в магнитном поле ядра, с той же частотой f и энергией E=hf>Eп. Этот электрон, при ударе о ядро, способен за счёт своей высокой энергии выбить из ядра либо электрон, либо позитрон, которых в ядрах почти поровну. Оттого гамма-излучение и создаёт поток, где электронов и позитронов поровну, что трактуют как рождение их парами. Впрочем, нередко они и впрямь вылетают парами, если электрон, выбивший позитрон, не поглотится ядром, а отскочит от него. Тогда, в камере Вильсона видно, как из одной точки (от одного ядра) исходят сразу два следа: электрона и позитрона. Если вспомнить аналогию электронов и позитронов — с чёрными и белыми шашками, сидящими в своих клетках на шахматной доске (атомном ядре, § 3.2, § 3.12), то механизм вылета из ядра электрон-позитронных пар напоминает игру "Чапаев", где удары чёрных шашек (электронов) выбивают с шахматной доски белые шашки (позитроны), вылетающие нередко парой, вместе с ударившими их чёрными.