Введение

Фотоиндуцированное разделение заряда — это процесс, при котором электрон в атоме или молекуле, возбуждаясь при поглощении фотона, переходит на более высокий энергетический уровень и затем покидает атом или молекулу, переходя в свободное пространство или к находящемуся поблизости акцептору электронов.

Модель Резерфорда

Атом состоит из положительно заряженного ядра, окруженного связанными электронами. Ядро состоит из незаряженных нейтронов и положительно заряженных протонов. Электроны имеют отрицательный заряд. В начале двадцатого века Эрнест Резерфорд предположил, что электроны вращаются вокруг плотного центрального ядра подобно планетам, вращающимся вокруг Солнца. Центростремительная сила, необходимая для удержания электронов на орбите, обеспечивалась силой Кулона протонов в ядре, действующей на электроны; точно так же, как гравитационная сила Солнца, действующая на планету, обеспечивает центростремительную силу, необходимую для удержания планеты на орбите. Эта модель, хотя и кажущаяся привлекательной, не соответствует действительности. Синхротронное излучение привело бы к потере орбитальной энергии вращающимся электроном и его спиралевидному движению к центру, поскольку векторная величина ускорения частицы, умноженная на её массу (величина силы, необходимой для поддержания электрона в круговом движении), была бы меньше электрической силы, приложенной к электрону протоном. Как только электрон спирально достиг бы ядра, он соединился бы с протоном, образуя нейтрон, и атом перестал бы существовать. Эта модель явно неверна.

Модель Бора

В 1913 году Нильс Бор усовершенствовал модель Резерфорда, утверждая, что электроны существуют в дискретных квантованных состояниях, называемых энергетическими уровнями. Это означало, что электроны могут занимать орбиты только с определенными значениями энергии. Здесь применимы законы квантовой физики, которые не согласуются с законами классической ньютоновской механики. Стационарный и полностью свободный от атома электрон обладает энергией, равной 0 джоулям (или 0 электронвольтам). Электрон, находящийся в "основном состоянии", имеет (отрицательную) энергию, равную энергии ионизации атома. При нормальных условиях электрон будет находиться на этом энергетическом уровне, если только основное состояние не заполнено, в этом случае дополнительные электроны будут занимать энергетические уровни выше. Если фотон света попадает на атом, он будет поглощен только в том случае, если энергия этого фотона равна разности между энергией основного состояния и энергией другого уровня в этом атоме. Это приводит к переходу электрона на более высокий энергетический уровень. Если энергия фотона света, падающего на атом, превышает энергию ионизации, он будет поглощен, и электрон, поглотивший энергию, будет выбит из атома с кинетической энергией, равной энергии фотона минус энергия ионизации.