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(yè)，共33頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)38分，星期四光電效應(yīng)是在1888年，赫茲做驗(yàn)證電磁波的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的。一、光電效應(yīng) 當(dāng)光照射到金屬表面上時(shí)，有電子從金屬表面逸出，這種現(xiàn)象稱(chēng)為光電效應(yīng)。逸出的電子稱(chēng)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(shí)，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(qiáng)，這被稱(chēng)為內(nèi)光電效應(yīng)。 2第2頁(yè)，共33頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)38分，星期四研究光電效應(yīng)主要是要解決以下問(wèn)題：）當(dāng)光照射到金屬表面時(shí)，從金屬表面逸出來(lái)的光電子

2、數(shù)和什么因素有關(guān)；）光電子的初動(dòng)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(yè)，共33頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)38分，星期四石英窗 光線(xiàn)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(chǎng)的作用下向陽(yáng)極運(yùn)動(dòng)，形成光電流。2、光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律陽(yáng)極陰極AV4第4頁(yè)，共33頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)38分，星期四光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律：）光電流與入射光強(qiáng)的關(guān)系飽和光電流強(qiáng)度與入射光強(qiáng)度成正比。所以，單位時(shí)間從金屬表面逸出的總的光電子數(shù)與入射光強(qiáng)成正比。5第5頁(yè)，共33頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)38分，星期四）光電子初動(dòng)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(chǎng)力作功。當(dāng)逸出時(shí)初速度最大的光電子也不能到達(dá)陽(yáng)極，光電流就為0，滿(mǎn)足：光電流恰為0時(shí)所加的反向電壓 Ua 稱(chēng)為截止電壓。 截止電壓的大小反映光電子初動(dòng)能的大小。6第6頁(yè)，共33頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)38分，星期四實(shí)驗(yàn)表明： 式中 K 和U0 都是正數(shù)，K 是一個(gè)普適恒量，不隨金屬的種類(lèi)而變；U0對(duì)同一種金屬是一個(gè)恒量，不同金屬U0的值不同，即與金屬的種類(lèi)有關(guān)。表明：光電子逸出時(shí)的最大初動(dòng)能隨入射光的頻率線(xiàn)性增加，而與入射光的強(qiáng)度無(wú)關(guān)。7第7頁(yè)，共33頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)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(duì)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(shí)，電子才能逸出金屬表面。 0 稱(chēng)為光電效應(yīng)的紅限。而當(dāng)入射光頻率 0 時(shí)，無(wú)論光強(qiáng)多大也無(wú)電子逸出金屬表面。）光電效應(yīng)是瞬時(shí)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(qiáng)無(wú)關(guān)。 當(dāng)光照射到金屬表面上時(shí)，幾乎立即就有光電子逸出。從光開(kāi)始照射，到光電逸出所需時(shí)間 0 時(shí)，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(yè)，共33頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)38分，星期四 ）光電效應(yīng)瞬時(shí)性的解釋光子與電子發(fā)生作用時(shí)，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(wú)需積累能量的時(shí)間，與光強(qiáng)無(wú)關(guān)。 金屬內(nèi)電子吸收一個(gè)光子可以釋放一個(gè)光電子。光強(qiáng)越大，光電子越多，光電流越大。）光電流正比于光強(qiáng)的解釋h 。光強(qiáng)正比于單位時(shí)間流過(guò)單位面積的光子數(shù)。光強(qiáng)越大，光子數(shù)越多。13第13頁(yè)，共33頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)38分，星期四一般處理光電效應(yīng)的問(wèn)題，要用到以下幾個(gè)關(guān)系：（愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程）截止電壓與入射光強(qiáng)無(wú)關(guān)，而與入射光頻率具有線(xiàn)性關(guān)系。14第14頁(yè)，共33頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)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(zhǎng)=435.8nm的光照射，

6、求：鉀放出光電子的初速度。解：15第15頁(yè)，共33頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)38分，星期四 光在傳播過(guò)程中表現(xiàn)出波動(dòng)性，如干涉、衍射、偏振現(xiàn)象。 光在與物質(zhì)發(fā)生作用時(shí)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(duì)論能量和動(dòng)量關(guān)系 光子 光子能量和動(dòng)量為：上兩式左邊是描寫(xiě)粒子性的 、P；右邊是描寫(xiě)波動(dòng)性的 、。 h 將光的粒子性與波動(dòng)性聯(lián)系起來(lái)。波粒二象性是客觀(guān)物質(zhì)的共同屬性。16第16頁(yè)，共33頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)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(dòng)性，愛(ài)因斯坦在光與物質(zhì)相互作用的過(guò)程中應(yīng)用了光的粒子性，因而成功地解決了這個(gè)

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(duì)。光的波粒二象性光具有波動(dòng)性，又有粒子性，即具有波粒二象性。 關(guān)于光的本性問(wèn)題，我們不應(yīng)該在微粒說(shuō)和波動(dòng)說(shuō)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(yè)，共33頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)38分，星期四例：求波長(zhǎng)為20 nm 紫外線(xiàn)光子的能量、動(dòng)量及質(zhì)量。解：能量：動(dòng)量：質(zhì)量：18第18頁(yè)，共33頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)38分，星期四光的散射：光束通過(guò)光學(xué)性質(zhì)不均勻的介質(zhì)（如霧、含有懸浮物的液體）時(shí)，會(huì)發(fā)生一部分光線(xiàn)偏離原來(lái)的方向的現(xiàn)象，稱(chēng)為光的散射。 散射光的波長(zhǎng)與入射光的波長(zhǎng)幾乎相等，這

8、可以由經(jīng)典的電磁理論得到圓滿(mǎn)解釋。愛(ài)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(shí)驗(yàn)。 三、康普頓效應(yīng)19第19頁(yè)，共33頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)38分，星期四 1923年，美國(guó)物理學(xué)家康普頓在觀(guān)察X射線(xiàn)被物質(zhì)散射時(shí)，發(fā)現(xiàn)散射線(xiàn)中含有波長(zhǎng)發(fā)生變化了的成分。實(shí)驗(yàn)裝置20第20頁(yè)，共33頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)38分，星期四實(shí)驗(yàn)結(jié)果（相對(duì)強(qiáng)度）（波長(zhǎng)） 在散射X 射線(xiàn)中除有與入射波長(zhǎng)相同的成分外，還有波長(zhǎng)比入射波長(zhǎng)更長(zhǎng)的射線(xiàn)。波長(zhǎng)的變化量，隨散射角的增大而增大。而與入射光的波長(zhǎng)0和散射物質(zhì)都無(wú)關(guān)。 * 實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)， 原子量小的散射物質(zhì)，康普頓散射較強(qiáng)；原子量大的

9、散射物質(zhì)，康普頓效應(yīng)較弱。21第21頁(yè)，共33頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)38分，星期四l l l 波長(zhǎng)偏移量檢測(cè)系統(tǒng)晶 體l l l l l l 散射角l 射 線(xiàn) 源l 散射體隨 的增大而增大，與物質(zhì)種類(lèi)無(wú)關(guān)。l 實(shí)驗(yàn)22第22頁(yè)，共33頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)38分，星期四不同散射物質(zhì)的實(shí)驗(yàn)對(duì)同一散射角l l l l l l Z 16Z 26X射線(xiàn)X射線(xiàn)X射線(xiàn)Z 6原子序數(shù)原子序數(shù)原子序數(shù)FeFe譜線(xiàn)的強(qiáng)度增強(qiáng)；譜線(xiàn)的強(qiáng)度減弱。各種散射物質(zhì)對(duì)同一散射角 ，波長(zhǎng)偏離量相等。若散射物質(zhì)的原子序數(shù)增加，散射線(xiàn)中23第23頁(yè)，共33頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)38分，星期四按照經(jīng)典

10、電磁理論，入射的射線(xiàn)是一種電磁波。當(dāng)射線(xiàn)通過(guò)物質(zhì)時(shí)，將引起散射物質(zhì)中的帶電粒子受迫振動(dòng)。帶電粒子將以入射電磁波一樣的頻率作電磁振動(dòng)，并向各個(gè)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(shuō)明有正常散射存在，即散射光的頻率與入射光頻率相等。康普頓用光子的概念簡(jiǎn)單而成功地解釋了這個(gè)現(xiàn)象。 康普頓效應(yīng)也是經(jīng)典理論無(wú)法解釋的。經(jīng)典理論無(wú)法解釋有散射光波長(zhǎng)增大的現(xiàn)象。24第24頁(yè)，共33頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)38分，星期四光子電子 電子反沖速度很大，需用相對(duì)論力學(xué)來(lái)處理。 入射光子（ X 射線(xiàn)或 射線(xiàn)）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(yùn)動(dòng)能量 ，可近

11、似為靜止電子。 范圍為： X 射線(xiàn)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(yè)，共33頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)38分，星期四碰撞前：光子能量為ho，動(dòng)量為ho/c；電子的能量為moc2，動(dòng)量為零。碰撞后：光子散射角為，光子能量為h，動(dòng)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(dòng)量為 。光子電子電子光子26第26頁(yè)，共33頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)38分，星期四（2）理論分析由能量守恒及動(dòng)量守恒（動(dòng)量守恒分量式）27第27頁(yè)，共33頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)38分，星期四 康普頓波長(zhǎng) 康

12、普頓公式28第28頁(yè)，共33頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)38分，星期四 散射光波長(zhǎng)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(wú)關(guān)，是光子與自由電子間的相互作用。29第29頁(yè)，共33頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)38分，星期四l l l l l l l l l X 射 線(xiàn) 其光子能量比可見(jiàn)光光子能量大上萬(wàn)倍原子核與內(nèi)層電子組成的原子實(shí)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(yè)，共33頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)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(jiàn)光或紫外線(xiàn)，其光子能量為ev數(shù)量級(jí)，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(dòng)能。光電效應(yīng)證實(shí)了此過(guò)程服從能量守恒定律。 在康普頓效應(yīng)中，入射光為X射線(xiàn)或 g 射線(xiàn)，光子能量為104 ev 數(shù)量級(jí)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(shí)了此過(guò)程可視為彈性碰撞過(guò)程，能量、動(dòng)量均守恒，更有力地證實(shí)了光的粒子性。31第31頁(yè)，共33頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)38分，星期四解：