У процесі іонізації іони в середньому отримують 3/5 від імпульсу початкового фотона і за рахунок цього рухаються в протилежну імпульсу фотона сторону. Це вдалося з'ясувати за допомогою ретельного вимірювання імпульсів, які придбали заряджені іони гелію та азоту після фотоіонізації електрона з внутрішньої K-оболонки. Результати для обох типів атомів збіглися з передбаченнями теорії в широкому діапазоні енергій фотонів: від 300 електронвольт до 40 кілоелектронвольт. Робота опублікована в, коротко про результати повідомляє журнал.
Оскільки класична теорія електромагнітних хвиль Максвелла не могла пояснити багатьох особливостей фотоефекту, його вивчення сприяло розвитку сучасної квантової фізики. Зокрема, для побудови теорії цього явища Альберт Ейнштейн залучив ідею про те, що енергія з електромагнітної хвилі поглинається тільки певними порціями, і назвав частинки фотонами, що поглинаються. За відкриття законів фотоефекту Ейнштейн у 1921 році отримав Нобелівську премію з фізики.
Фотоіонізація - схожий з фотоефектом процес, при якому електрон вилітає з атома при поглинанні атомом налітаючого фотона. Такий електрон називається фотоелектроном, а атом після цього стає зарядженим іоном. Теорія фотоіонізації окремих атомів активно розвивалася в 1920-ті роки зусиллями П'єра-Віктора Оже (Pierre Victor Auger) і Жана-Батіста Перрена (Jean Baptiste Perrin): у 1927 році вони опублікували роботу про розподіл імпульсів фотоелектронів. Зокрема, там вони зазначили, що фотоелектрони вилітають переважно в напрямку початкового руху фотона, і що їх імпульс «... більш ніж на 50 відсотків перевищує імпульс фотона» - залишивши, втім, це явище без пояснення. Про схоже явище повідомляли й інші автори, зазначаючи, що для виконання закону збереження імпульсу іон, в який перетворюється атом після вильоту фотоелектрона, неминуче повинен рухатися в той бік, звідки прилетів фотон.
Згідно з квантово-механічним описом фотоіонізації, середній зворотний імпульс іонів виникає через інтерференцію між дипольним і квадрупольним переходами, які окремо дають симетричний розподіл імпульсу іонів. Це виявляється в деякому протиріччі з ефектом тиску світла в напрямку поширення фотонів. Надалі цей ефект лише коротко згадувався в контексті впливу тиску світла на внутрішньозоряні процеси, і лише в 2014 році група теоретиків з Університету Шербрук (Канада) детально розрахувала імпульси іону та електрона при різних сценаріях фотоіонізації, зокрема показавши, що в процесі однофотонної іонізації іон набуває зворотного імпульсу величиною 3/5 від початкового імпульсу фотону.
Для підтвердження існуючої теорії вчені з Інституту ядерної фізики Гете під керівництвом Райнхарда Дьорнера (Reinhard Dörner) виміряли розподіл імпульсів іонів азоту N + і гелію He + після іонізації під впливом синхротронного випромінювання. Вимірювання проводилися на синхротроні PETRA III (Гамбург, Німеччина) для циркулярно поляризованого випромінювання з енергією до 1775 електронвольт, а також на Європейському Джерелі Синхротронного Випромінювання (ESRF, Гренобль, Франція) для лінійно поляризованого світла з енергією фотонів від 12 до 40 кілоелектт. Для вимірювання заряду і всіх трьох компонент імпульсу іонів використовувалося іонна частина установки іонної імпульсної спектроскопії з холодною мішенню (COLTRIMS), який дозволяє збирати інформацію про іони в повному тілесному вугіллі 4º. У разі низьких (високих) енергій пучок атомів гелію (молекул азоту) схрещувався з фотонним пучком. Розсіяні іони збиралися спектрометром, при цьому точка попадання іонів з нульовим імпульсом визначалися за допомогою комптонівського розсіювання.
Середні значення імпульсів іонів, отримані в результаті вимірювань, чітко лягають на пряму, відповідну 3/5 від імпульсу початкового фотона. Імпульс електронів у роботі безпосередньо не вимірювався, але відповідно до закону збереження імпульсу, він у середньому дорівнює 8/5 від імпульсу фотону. Автори також виміряли кутовий розподіл імпульсів для низькоенергетичного випадку (атоми гелію). Через кутову симетрію імпульси іонів розташовуються в околиці кола з різним радіусом, але центр цих окружностей зрушать вперед на величину, що відповідає початковому імпульсу фотона. Це означає, що центр мас системи (який практично збігається з положенням іона) набуває імпульсу фотона. При цьому імпульси іонів розподілені вздовж цих окружностей несиметрично відносно вертикальної осі, і середнє значення проекції імпульсу іону на напрямок розповсюдження фотону якраз становить ‑ 3/5 від імпульсу фотона.
На основі вимірених імпульсів іонів гелію вчені розрахували кутовий розподіл імпульсів електронів, вибитих з атомів у процесі іонізації. Отримана картина нагадує діаграму випромінювання електричного діполя (оскільки кутовий момент іону гелію до ударіння нульовий), однак, має значне зрушення в напрямку початкового імпульсу фотону. Для пояснення цього зрушення потрібно було врахувати інтерференцію між електричним дипольним і квадрупольним переходом в атомі гелію.
Що стосується фізичного процесу поділу імпульсу фотону між іоном та електроном, автори зазначають, що в літературі часто зустрічаються неточні формулювання: так, стверджується, що фотон просто передає імпульс електрону і тому кутовий розподіл імпульсу електронів зрушено в напрямку початкового руху фотону. Робота показує, що реальна фізична картина втягує в себе різні матричні елементи переходів в атомі і тому точний опис фотоіонізації може бути отримано тільки на основі квантової теорії. Вірні кінцеві значення імпульсу іону та фотоелектрона виходять саме при врахуванні квантово-механічної інтерференції різних процесів іонізації (дипольної та квадрупольної).
Надалі автори сподіваються вивчити, як відбуваються подвійна іонізація, при якій вилітає два фотоелектрони, і багатофотонна іонізація, при якій поглинається кілька фотонів але вилітає один електрон. Теорія пророкує, що в разі вибивання двох електронів якісна картина розподілу імпульсів залишається приблизно такою ж, як і у вивченому випадку. Навпаки, в багатофотонних процесах, які починають проявлятися при дуже великих інтенсивностях світла, очікується, що іон в середньому буде повчати імпульс в напрямку початкових фотонів. Автори зазначають, що кількісний опис фотоіонізації може бути корисним для вивчення процесів, що відбуваються у зовнішніх шарів зірок або для опису прискорення електронів релятивістськими лазерними імпульсами.
Детальний опис фотоефекту і схожих явищ привертає досить пильну увагу фізиків. Раніше ми писали про те, як час вильоту електрону при фотоефекті пов'язаний з його кутовим моментом, а також розповідали, як вченим вдалося виміряти час відриву фотоелектронів з виключно високою роздільною здатністю.