6. Тунельна іонізація атома під дією зовнішнього електричного поля

На початку XX століття багато експериментів було присвячено дослідженню атомних спектрів поглинання і випромінювання. Серед них були і експерименти по вивченню змін спектральних ліній під дією зовнішнього постійного електричного поля — ефект Штарка. В кінці 20-х років в одному з таких экспериментов Р. Траубенберг отримав фотографії спектральних ліній, на яких у міру збільшення напруженості поля спостерігалося не лише зміщення ліній, але і їх розширення і зникнення. Якщо зміщення було узгоджено з теорією ефекту Штарка, то і розширення і зникнення ліній в рамках цієї теорії були не пояснювальні.

Проте незабаром обоє ці явища були пояснені в рамках теорії тунельної і надбар’єрної іонізації атомів, розвиненої незалежно К. Ланчосом і Р. Оппенгеймером. У основі цієї теорії лежало припущення, що атом під дією зовнішнього поля іонізується, причому процес іонізації обумовлений виникненням потенціального бар'єру, через який тунелює атомний електрон. Схема цього процесу приведена на мал. 3.

Якщо немає зовнішнього поля (мал. 3, а), то електрон, зв'язаний в атомі, знаходиться в кулонівському полі атомного ядра ( — енергія зв'язку). Якщо зовнішнє поле включене (наприклад, уздовж осі ) (мал. 3, б), то на електрон діє сума два полів: кулонівського поля ядра і зовнішнього поля (з напруженістю ). Висота і ширина цього бар'єру зменшуються при збільшенні напруженості зовнішнього поля. Атомний електрон може тунелювати через цей бар'єр або навіть просто виявляється вільним при досить низькому бар’єрі (мал. 3, б). У останньому випадку процес іонізації прийнято називати надбар’єрною іонізацією або надбар’єрним розпадом атома. Вірогідність тунелювання експоненціально залежить від напруженості зовнішнього поля: , де — константа. Це співвідношення добре описують експериментальні дані. Для критичної напруженості поля, при якій виникає надбар’єрна іонізація, класична теорія дає вираз, що витікає з виразу енергії зв'язку електрона в атомі енергії зв'язку електрона в атомі (зокрема, потенціалу іонізації) і максимуму бар'єру. Воно має простий вигляд: , де - заряд атомного остову. Цей вираз приблизно описує виникнення надбар’єрної іонізації.

У 60-х роках цього століття були створені лазери. У руках експериментаторів опинилися екстремально сильні світлові поля, тому виник очевидний інтерес фізиків до процесу тунельної іонізації атомів в змінному електромагнітному полі. На відміну від постійного поля в змінному полі бар'єр виникає періодично то праворуч від ядра атома (як це показано на мал. 3, б), то зліва за час, рівний половині періоду поля. У світловому полі це дуже мала величина, порядку с. Вочевидь, що атомний електрон повинен встигнути протунелювати через бар'єр за менший час. Теоретично було показано, що тунельна іонізація атомів може відбуватися і в світловому полі лазерного випромінювання. Експерименти, поставлені в подальші роки, повністю підтвердили ці припущення, і зараз цей процес детально вивчений.Процес тунельної іонізації атомів в полі лазерного випромінювання представляє великий інтерес. Справа в тому, що при сучасних надсильних полях лазерного випромінювання субатомною, атомною ( ) і суператомній напруженості цей процес є визначальний при іонізації газу і створенні плазми. У таких сильних світлових полях тунельний ефект обумовлює і відрив електронів від позитивних іоні.