光電效應(yīng)康普頓效應(yīng)

1、關(guān)于光電效應(yīng)康普頓效應(yīng)1第1頁，共33頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四光電效應(yīng)是在1888年，赫茲做驗證電磁波的實驗中發(fā)現(xiàn)的。一、光電效應(yīng) 當(dāng)光照射到金屬表面上時，有電子從金屬表面逸出，這種現(xiàn)象稱為光電效應(yīng)。逸出的電子稱為光電子。 由于金屬表面的電子吸收外界的光子， 克服金屬的束縛而逸出金屬表面的現(xiàn)象。外光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng)、現(xiàn)象一些晶體或半導(dǎo)體在受到光照時，其內(nèi)部的原子釋放的光電子仍留在材料內(nèi)部，使材料的導(dǎo)電性增強，這被稱為內(nèi)光電效應(yīng)。 2第2頁，共33頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四研究光電效應(yīng)主要是要解決以下問題：）當(dāng)光照射到金屬表面時，從金屬表面逸出來的光電子

2、數(shù)和什么因素有關(guān)；）光電子的初動能由什么因素決定；）產(chǎn)生光電子的條件是什么；）如何從理論上解釋光電效應(yīng)。3第3頁，共33頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四石英窗 光線經(jīng)石英窗照在光電管的陰極上，就有電子從陰極表面逸出光電子。光電子在電場的作用下向陽極運動，形成光電流。2、光電效應(yīng)的實驗規(guī)律陽極陰極AV4第4頁，共33頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四光電效應(yīng)的實驗規(guī)律：）光電流與入射光強的關(guān)系飽和光電流強度與入射光強度成正比。所以，單位時間從金屬表面逸出的總的光電子數(shù)與入射光強成正比。5第5頁，共33頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四）光電子初動能與入射光頻

3、率的關(guān)系 當(dāng) K、A 間加反向電壓，光電子克服電場力作功。當(dāng)逸出時初速度最大的光電子也不能到達(dá)陽極，光電流就為0，滿足：光電流恰為0時所加的反向電壓 Ua 稱為截止電壓。 截止電壓的大小反映光電子初動能的大小。6第6頁，共33頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四實驗表明： 式中 K 和U0 都是正數(shù)，K 是一個普適恒量，不隨金屬的種類而變；U0對同一種金屬是一個恒量，不同金屬U0的值不同，即與金屬的種類有關(guān)。表明：光電子逸出時的最大初動能隨入射光的頻率線性增加，而與入射光的強度無關(guān)。7第7頁，共33頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四3）產(chǎn)生光電效應(yīng)的條件（截止頻率0 紅限

4、）對于每種金屬材料，都相應(yīng)的有一確定的截止頻率0 。 所以，當(dāng)入射光頻率 0 時，電子才能逸出金屬表面。 0 稱為光電效應(yīng)的紅限。而當(dāng)入射光頻率 0 時，無論光強多大也無電子逸出金屬表面。）光電效應(yīng)是瞬時的。要產(chǎn)生光電效應(yīng)，必須有：截止頻率與材料有關(guān)與光強無關(guān)。 當(dāng)光照射到金屬表面上時，幾乎立即就有光電子逸出。從光開始照射，到光電逸出所需時間 0 時，電子才能逸出金屬表面，產(chǎn)生光電效應(yīng)。不同金屬具有不同的截止頻率。12第12頁，共33頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四 ）光電效應(yīng)瞬時性的解釋光子與電子發(fā)生作用時，光子一次性將h 的能量 交給電子。只要光子頻率大于截止頻率，電子就能立

5、即逸出金屬表面，無需積累能量的時間，與光強無關(guān)。 金屬內(nèi)電子吸收一個光子可以釋放一個光電子。光強越大，光電子越多，光電流越大。）光電流正比于光強的解釋h 。光強正比于單位時間流過單位面積的光子數(shù)。光強越大，光子數(shù)越多。13第13頁，共33頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四一般處理光電效應(yīng)的問題，要用到以下幾個關(guān)系：（愛因斯坦光電效應(yīng)方程）截止電壓與入射光強無關(guān)，而與入射光頻率具有線性關(guān)系。14第14頁，共33頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四例：鉑的逸出功為6.3eV，求：鉑的截止頻率0 。解：例：鉀的截止頻率0 =4.621014Hz，以波長=435.8nm的光照射，

6、求：鉀放出光電子的初速度。解：15第15頁，共33頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四 光在傳播過程中表現(xiàn)出波動性，如干涉、衍射、偏振現(xiàn)象。 光在與物質(zhì)發(fā)生作用時表現(xiàn)出粒子性 h ，如光電效應(yīng)，康普頓效應(yīng)。、光的波粒二象性 相對論能量和動量關(guān)系 光子 光子能量和動量為：上兩式左邊是描寫粒子性的 、P；右邊是描寫波動性的 、。 h 將光的粒子性與波動性聯(lián)系起來。波粒二象性是客觀物質(zhì)的共同屬性。16第16頁，共33頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四 經(jīng)典物理解釋光電效應(yīng)遇到的困難在于它僅看到了光的波動性，愛因斯坦在光與物質(zhì)相互作用的過程中應(yīng)用了光的粒子性，因而成功地解決了這個

7、難題。 歷史上牛頓也是把光看成粒子流的，但是他的“粒子”模型不對。光的波粒二象性光具有波動性，又有粒子性，即具有波粒二象性。 關(guān)于光的本性問題，我們不應(yīng)該在微粒說和波動說之間進(jìn)行取舍，而應(yīng)該把它們看作是光的本性的兩種不同側(cè)面的描述。17第17頁，共33頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四例：求波長為20 nm 紫外線光子的能量、動量及質(zhì)量。解：能量：動量：質(zhì)量：18第18頁，共33頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四光的散射：光束通過光學(xué)性質(zhì)不均勻的介質(zhì)（如霧、含有懸浮物的液體）時，會發(fā)生一部分光線偏離原來的方向的現(xiàn)象，稱為光的散射。 散射光的波長與入射光的波長幾乎相等，這

8、可以由經(jīng)典的電磁理論得到圓滿解釋。愛因斯坦斷言：光是由光子組成，但真正證明光是由光子組成的還是康普頓實驗。 三、康普頓效應(yīng)19第19頁，共33頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四 1923年，美國物理學(xué)家康普頓在觀察X射線被物質(zhì)散射時，發(fā)現(xiàn)散射線中含有波長發(fā)生變化了的成分。實驗裝置20第20頁，共33頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四實驗結(jié)果（相對強度）（波長） 在散射X 射線中除有與入射波長相同的成分外，還有波長比入射波長更長的射線。波長的變化量，隨散射角的增大而增大。而與入射光的波長0和散射物質(zhì)都無關(guān)。 * 實驗還發(fā)現(xiàn)， 原子量小的散射物質(zhì)，康普頓散射較強；原子量大的

9、散射物質(zhì)，康普頓效應(yīng)較弱。21第21頁，共33頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四l l l 波長偏移量檢測系統(tǒng)晶 體l l l l l l 散射角l 射 線 源l 散射體隨 的增大而增大，與物質(zhì)種類無關(guān)。l 實驗22第22頁，共33頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四不同散射物質(zhì)的實驗對同一散射角l l l l l l Z 16Z 26X射線X射線X射線Z 6原子序數(shù)原子序數(shù)原子序數(shù)FeFe譜線的強度增強；譜線的強度減弱。各種散射物質(zhì)對同一散射角 ，波長偏離量相等。若散射物質(zhì)的原子序數(shù)增加，散射線中23第23頁，共33頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四按照經(jīng)典

10、電磁理論，入射的射線是一種電磁波。當(dāng)射線通過物質(zhì)時，將引起散射物質(zhì)中的帶電粒子受迫振動。帶電粒子將以入射電磁波一樣的頻率作電磁振動，并向各個方向輻射出和入射頻率相同的電磁波（散射波）。因而，它只能說明有正常散射存在，即散射光的頻率與入射光頻率相等?？灯疹D用光子的概念簡單而成功地解釋了這個現(xiàn)象。 康普頓效應(yīng)也是經(jīng)典理論無法解釋的。經(jīng)典理論無法解釋有散射光波長增大的現(xiàn)象。24第24頁，共33頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四光子電子 電子反沖速度很大，需用相對論力學(xué)來處理。 入射光子（ X 射線或 射線）能量大。 固體表面電子束縛較弱，可視為自由電子。 電子光子 電子熱運動能量 ，可近

11、似為靜止電子。 范圍為： X 射線是由一些能量為 =h 的光子組成，并且這些光子與自由電子發(fā)生完全彈性碰撞。3.康普頓效應(yīng)的光量子理論解釋25第25頁，共33頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四碰撞前：光子能量為ho，動量為ho/c；電子的能量為moc2，動量為零。碰撞后：光子散射角為，光子能量為h，動量為h/c；電子飛出的方向與入射光子的夾角為，它的能量為 ，動量為 。光子電子電子光子26第26頁，共33頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四（2）理論分析由能量守恒及動量守恒（動量守恒分量式）27第27頁，共33頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四 康普頓波長 康

12、普頓公式28第28頁，共33頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四 散射光波長的改變量 僅與 有關(guān) 散射光子能量減小康普頓公式（3）結(jié)論 與 的關(guān)系與物質(zhì)無關(guān)，是光子與自由電子間的相互作用。29第29頁，共33頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四l l l l l l l l l X 射 線 其光子能量比可見光光子能量大上萬倍原子核與內(nèi)層電子組成的原子實外層電子散 射 體康普頓最初用石墨，其原子序數(shù)不太大、電子結(jié)合能不太高。l l 康普頓效應(yīng)30第30頁，共33頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四康普頓效應(yīng)與光電效應(yīng)的異同 康普頓效應(yīng)與光電效應(yīng)都涉及光子與電子的相互作用。 在光電效應(yīng)中，入射光為可見光或紫外線，其光子能量為ev數(shù)量級，與原子中電子的束縛能相差不遠(yuǎn)，光子能量全部交給電子使之逸出，并具有初動能。光電效應(yīng)證實了此過程服從能量守恒定律。 在康普頓效應(yīng)中，入射光為X射線或 g 射線，光子能量為104 ev 數(shù)量級甚至更高，遠(yuǎn)大于散射物質(zhì)中電子的束縛能，原子中的外層的電子可視為自由電子，光子能量只被自由電子吸收了一部分并發(fā)生散射?？灯疹D效應(yīng)證實了此過程可視為彈性碰撞過程，能量、動量均守恒，更有力地證實了光的粒子性。31第31頁，共33頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四解：